Тензометрические и геофизические методы изучения напряженно-деформированного состояния массива горных пород

Среди геофизических способов наиболее полно разработан импульсный сейсмический (ультразвуковой) метод определения напряжений. Он основан на взаимосвязи с напряженным состоянием горных пород сейсмических характеристик скорости и затухания упругих волн, возбуждаемых в массиве.

Для количественной оценки напряжений в породном массиве используют эффект скоростной анизотропии пород при их нагружении. Сущность этого эффекта состоит в том, что для многих пород с возрастанием давления увеличивается скорость продольных упругих волн. При этом рост скорости происходит по тому же направлению, что и увеличение нагрузки, тогда как в других направлениях эти изменения незначительны. Для различных пород рост скоростей продольных волн с увеличением давления неодинаков: от нескольких процентов до 50% и более. Рост скоростей начинается сразу же с увеличением давления и прекращается при напряжениях, составляющих для различных пород 30-70% разрушающего напряжения сжатия. При неравномерном нагружении, т. е. когда напряжения по одному из направлений превышают таковые по другим направлениям, в массиве пород появляется скоростная анизотропия

Тензометрические методы

Наряду с использованием сейсмоприемников возможен прямой метод измерения динамических упругих деформаций и определения по ним напряжений. Он основан на применении специальных керновых тензометрических датчиков. На участках наблюдений отбирают породные штуфы и выбуривают из них керны диаметром 40 мм. Отрезок керна длиной 5-10 см распиливают вдоль образующей на три части. На плоскости одной из них наклеивают розетки тензодатчиков и затем все три части керна склеивают, получая керновый тензодатчик, позволяющий регистрировать динамические деформации породного массива в различных направлениях. Керновые датчики цементируются в шпурах диаметром 55-60 мм.

Чтобы динамические деформации, регистрируемые керновым датчиком, были максимально близки к фактическим деформациям породного массива, требуется максимальное приближение значений акустического сопротивления цементирующего материала и горной породы в точке измерения. Соответствующий цементирующий состав для этого подбирают, используя смеси цемента с более тяжелой составляющей. Для обеспечения надежного сцепления на контактах цементирующего материала с датчиком и с породным массивом используют расширяющийся цемент.

Разработан радиометрический метод определения напряжений, связанный с наведением в исследуемом участке массива радиационного поля. Метод основан на эффекте различного поглощения радиоактивных излучений породами в зависимости от их плотности.

Электрометрический метод определения напряжений принципиально осуществим в двух модификациях: на постоянном и переменном токе. Метод основан на эффекте изменения удельного электрического сопротивления пород с изменением их напряженного состояния.

Магнитный метод определения напряжений базируется на слабых ферромагнитных свойствах и положительной магнитострикции ряда горных пород. В таких породах с изменением напряжений меняется магнитная восприимчивость. Эти изменения и подлежат измерению для оценки изменений напряженного состояния.

Широкое применение для оценки напряженного состояния горных пород и прогнозирования опасных ситуаций, связанных с внезапными обрушениями пород, горными ударами, внезапными породными выбросами, получил сейсмоакустический (звукометрический) метод. Он основан на использовании естественных акустических (звуковых) импульсов, возникающих в массиве пород вследствие микроразрушений, обусловленных общим или локальным ростом напряжений. Регистрацию импульсов ведут с помощью специальных датчиков геофонов, устанавливаемых в скважины и воспринимающих звуковые колебания, возникающие в окружающем массиве при микроразрушениях