Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал), 2003, № 8

К К а Й 

Д.Я. 
ЛАВРОВ 

МЕТОДИКА ОЦЕНКИ ВИДА НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ, 

НАПРАВЛЕНИЙ И ВЕЛИЧИНЫ ГЛАВНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ 

В МАССИВЕ ГОРНЫХ ПОРОД НА ОСНОВЕ ЭФФЕКТОВ ПАМЯТИ 

В ИЗВЛЕЧЕННЫХ ИЗ МАССИВА ОБРАЗЦАХ 

МОСКВА 
й й й й ® 

да 

ЗЛ.А.ТЕ/\ЬСТВО 

МОСКОВСКОГО ГОСУМРСТВЕННОГО 

ГОРНОГО 
-УНИВЕРСИТЕТА 

2 0 
03 

УДК 622.02:539.2/.8.001.57 
ББК 33.1 
Ш66 

Работа выполнена в рамках гранта РФФИ № 01-05¬
64105 и гранта НШ 1467.2003.5 государственной 
поддержки 
ведущих научных школ 

Шкуратник В.Л., Лавров А.В. 

Ш 66 
Методика оценки вида напряженного состояния, направлений и величины главных напряжений в массиве 
горных пород на основе эффектов памяти в извлеченных из массива образцах: Отдельные статьи Горного 
информационно-аналитического бюллетеня. — 2003. — 
№ 8. — 17 с. — М.: Издательство Московского государственного горного университета, 2003. 

Приведены сведения о закономерностях формирования и проявления акустоэмиссионных эффектов памяти в пластичных и 
скальных горных породах. Изложена основанная на этих закономерностях методика оценки напряжений по результатам тестовых 
испытаний извлеченных из массива образцов. 

УДК 622.02:539.27.8.001.57 
ББК 33.1 

ISSN 0236-1493 
© В.Л. Шкуратник, А.В. Лавров, 2003 
© Издательство МГГУ, 2003 
© Дизайн книги. Издательство 
МГГУ, 2003 

1. Физические основы 
и область применения метода 
Н

астоящая методика оценки вида напряженного состояния, направлений и величин главных напряжений, действующих в массиве горных пород, основана на свойстве памяти — способности горных пород «запоминать», хранить и воспроизводить информацию об испытанных напряжениях. В основе метода лежат следующие физические закономерности, установленные в ходе экспериментальных и теоретических исследований эффектов памяти в 
хрупких и пластичных горных породах. 

1) В условиях сложного напряженного состояния память 

в пластичных породах формируется, если максимальное 

главное сжимающее напряжение а, превышает предел упругости, соответствующий данным значениям сг 2,а 3. Память в 

хрупких породах формируется, если величина а, превышает 

значение Oj, при котором проходит отклонение от линейности кривой е 3 = / (ст,) при деформировании породы в условиях действия данных а , , а 3 . 

Кроме того, вторым необходимым условием формирования памяти, как в пластичных, так и в хрупких породах, является 
превышение 
величиной 
а, 
порогового 
уровня 

о 1 г Л = (/fc + l ) a 3 , где к — безразмерный коэффициент, характерный для данной горной породы. Например, для каменной 

соли к = 0,5 + 0,7; для гранита к = 2,8 + 3,4. Величина к мо

жет быть получена путем постановки серии лабораторных 
экспериментов (см. раздел 9 настоящей методики). 

В пластичных породах величина auh меньше предела упругости, поэтому достаточным условием формирования памяти является превышение напряжением а{ предела упругости, 
соответствующего данным ст 2,а 3. 

Отсутствие памяти в данной породе свидетельствует о 
невыполнении рассмотренных условий формирования памяти. 

2) При одноосном сжатии породы, ранее испытавшей 
трехосное нагружение, эффекты памяти имеют место при отклонении оси одноосного сжатия от направления максимального действовавшего ранее главного напряжения а, не более 
чем на 5—10 °С. 

Это обстоятельство лежит в основе определения направления a, in situ по результатам лабораторных испытаний серии образцов, ориентированных в различных направлениях 
(раздел 4). 

3) При обобщенном растяжении (а 3 < а, = а 2, все напряжения — сжимающие) горной породы, испытавшей ранее 

трехосное неравнокомпонентное нагружение (ст, > о 2 > ст3 > 0), 

эффекты памяти имеют место при отклонении осей ст3 в двух 

рассматриваемых циклах нагружения не более чем на 5—10 °С. 
Это обстоятельство лежит в основе определения направления 
о 3 in situ по результатам лабораторных испытаний образцов, 

ориентированных в различных направлениях (раздел 5). 

4) Если при обобщенном растяжении породы, ранее (в I 
цикле) находившейся в условиях трехосного нагружения, эффект памяти проявляется одинаково хорошо во всех направлениях, перпендикулярных оси I цикла, то это означает, что 
напряженное состояние в I цикле было осесимметричным. 

Это обстоятельство лежит в основе диагностики типа 
трехосного напряженного состояния in situ по результатам 

4 

лабораторных испытаний образцов, ориентированных в различных направлениях (раздел 6). 

5) При трехосном осесимметричном пропорциональном 
нагружении (ст, >ст 2 = ст3,ст,/ст3 = const) горной породы, испытавшей ранее (в I цикле) трехосное осесимметричное напряженное состояние, наиболее четкие эффекты памяти имеют место при совпадении отношений а1 / о , в I цикле и в тестовом нагружении. При этом значения (TpCTj, при которых 
отмечаются эффекты памяти в тестовом цикле, равны соответствующим значениям (в I цикле). 

Это обстоятельство лежит в основе измерения отношений 
и величин главных напряжений in situ по результатам лабораторных испытаний образцов, ориентированных в направлении действия ст, в массиве, с различными значениями отношения а, / а 3 в лабораторном нагружении (раздел 6). 

6) При одноосном нагружении горной породы, испытавшей 
(в 
I 
цикле) 
трехосное 
осесимметричное 
сжатие 

(о, > а2 = а 3 > 0), эффекты памяти имеют место при достижении величиной одноосного сжимающего напряжения значения о{ -(ifc + l ) a 3 , действовавшего в I цикле (тестовое одноосное нагружение проводится в направлении a, I цикла). 

Это обстоятельство лежит в основе определения максимального главного напряжения ст, in situ при известном минимальном напряжении а 3 (раздел 7). 

7) При осесимметричном тестовом нагружении породы 

(Ст[ > с2 = а 3 ) , в условиях постоянного значения ст3 и монотонно возрастающей разности главных напряжений (а, - ст3), 

при условии равенства значений а 3 в тестовом нагружении и 
в I цикле, также проводившемся в условиях осесимметричного сжатия, эффекты памяти имеют место при достижении напряжением а, в тестовом цикле значения а,, испытанного в I 

5 

цикле. При этом четность эффектов памяти сопоставима с их 
четностью при циклическом сжатии породы. 

Это обстоятельство лежит в основе определения величины a, in situ при условии, если напряженное состояние массива — осесимметричное, и величина а 3 in situ заранее известна (измерена каким-либо другим методом или рассчитана), см. раздел 7. 

8) Для надежной диагностики эффектов памяти при лабораторных испытаниях извлеченных из массива образцов 
горных пород необходимо использовать не только данные 
измерений параметров акустической эмиссии (АЭ), но и кривые деформирования, в первую очередь, графики «поперечная деформация — напряжение», «объемная деформация — 
напряжение» и «дифференциальный коэффициент поперечных деформаций Де 3 / Ле, — напряжение». 

Рассматриваемые ниже методики определения типа напряженного состояния, направлений и величин главных напряжений могут использоваться как при исследованиях естественных полей напряжений в земной коре, так и при измерении 
напряжений 
в 
окрестностях 
горных 
выработок. 
Возможность определения направлений всех трех главных 
напряжений на основе эффектов памяти не требует предварительного точного знания информации об ориентировании 
главных осей тензора напряжений в массиве, однако ориентировочное представление о направлении одного из главных 
напряжений (например, а,) существенно упрощает процедуры, поскольку уменьшает необходимое количество образцов. 

Методика обеспечивает точное определение направлений 
всех трех главных напряжений in situ (погрешность ± 2,5°); 
определение вида напряженного состояния массива (трехосное осесимметричное или трехосное неравнокомпонентное) 
и, в случае осесимметричного напряженного состояния массива, определение значений обоих неизвестных главных напряжений С[ и а 3. 

6 

Методика применима как к пластичным, так и к хрупким 
породам. Однако интерпретация результатов некоторых экспериментов требует знания коэффициента к, уникального для 
каждой породы. Для каменной соли, как уже указывалось, 
к =0,5+0,7, для гранита — около 3,0. Для других пород к 
может быть определен путем постановки серии предварительных опытов (см. раздел 9). 

2. Требования к образцам 

Образцы в виде цилиндров должны иметь отношение высоты к диаметру hid = 2,0+3,0 и изготовляться из кернов в 
соответствующих направлениях (подробнее см. соответствующие разделы настоящей методики). Рекомендуется использовать только неповрежденные участки кернов, без видимых макротрещин, пропластов и крупных зерен (монокристаллов). Следует, по возможности, стремиться к тому, чтобы 
диаметр образца не менее чем в 10 раз, превосходил размер 
максимального видимого зерна. 

Извлеченные из массива керны должны быть запарафинированы для предохранения их от изменений влажности. 
Керны, используемые для изготовления образцов, следует, по 
возможности, предохранять от ударов и вибраций. Изготовление образцов и проведение испытаний следует проводить в 
кратчайшие сроки с момента извлечения керна из скважины. 
Требования к геометрическим допускам при изготовлении 
образцов аналогичны принятым при обычных механических 
испытаниях горных пород на сжатие. 

Количество образцов определяется набором проводимых 
серий экспериментов (см. соответствующие разделы методики). Так, для определения величины а, при известном значении с2 = о 3 в массиве достаточно одного — двух образцов. 
Для определения неизвестного направления а{ может понадобиться количество образцов, измеряемое сотнями. Целесо
7 

образность использования предлагаемых методов, основанных на эффекте памяти, должна при этом определяться путем 
сопоставления с затратами на проведение измерений иными 
методами (например, методом гидроразрыва скважин с локацией источников АЭ). 

3. Оборудование 

Для проведения испытаний следует использовать пресс, 
обеспечивающий постоянную скорость деформирования образца и максимальную нагрузку, не меньше предела прочности образцов данной породы на сжатие. 

Трехосное осесимметричное нагружение в режиме обобщенного сжатия (а 1 > ст2 = ст3 > 0, схема Кармана) или обобщенного растяжения ( а 3 < а 2 = tip ар<т 2,а 3 >0, схема Беккера) следует проводить в камере трехосного сжатия. Измерительный 
комплекс 
должен 
обеспечивать 
возможность 
непрерывной регистрации осевой нагрузки, бокового давления (при проведении испытаний в камере), осевой и боковых 
деформаций и активности АЭ. 

Для снижения эффектов непараллельности торцов образца рекомендуется использовать сферическую опору. Для 
уменьшения трения — смазку (литол или подобную) или тефлоновые прокладки. Для снижения эффекта «вдавливания 
штампа» нагружение образца следует проводить между цилиндрическими стальными пуансонами, имеющими диаметр, 
равный диаметру образца до деформирования. Для предохранения образца от проникновения масла в поровое пространство при испытаниях в камере образец следует помещать в 
непроницаемую резиновую оболочку. 

Настройки аппаратуры АЭ должны обеспечивать возможность регистрации достаточного количества импульсов, 
не пропуская лабораторные помехи и шумы пресса. Зарегистрированные помехи должны удаляться вручную при последующей офф-лайн обработке. 
8 

4. Определение направления 
действия максимального главного 
напряжения с, в массиве 

При наличии предварительной информации о приблизительной предполагаемой ориентации напряжения a, in situ 
следует изготовить серию образцов, ориентированных в различных направлениях, группирующихся вокруг предполагаемого направления а1 с шагом не более 5°. Далее проводится 
одноосное нагружение каждого образца до разрушения. Образец, в котором четко проявляются деформационные и акустоэмиссионные эффекты памяти, соответствует направлению действия al in situ. Акустоэмиссионный эффект памяти 
при этом проявляется в виде максимума кривой «активность 
АЭ — напряжение». Для надежной диагностики эффектов 
памяти в пластичных горных породах необходимо обязательно использовать не только данные измерений АЭ, но и деформационные кривые. 

При отсутствии предварительной информации о приблизительной предполагаемой ориентации a, in situ (например, в 
зонах развития интенсивных процессов складкообразования и 
разрывной тектоники) использование метода возможно, однако требует изготовления сотен образцов, ориентированных 
в различных направлениях и с шагом не более 5°. 

При отсутствии эффектов памяти при одноосном сжатии 
во всех направлениях следует сделать вывод о том, что в процессе, нагружения в массиве память не была сформирована. 
Для пластичных пород это означает, что величина ст, не превышала предел упругости, соответствующий данному значению ст3 in situ. 

9 

5. Определение направлений действия 
минимального о 3 и промежуточного ст2 
главных напряжений в массиве 

При наличии предварительной информации о приблизительной предполагаемой ориентации напряжений а 3 in situ 

следует изготовить серию образцов, ориентированных в различных направлениях, группирующихся вокруг предполагаемого направления а 3 с шагом не более 5°. Далее проводится 
нагружение каждого образца в режиме обобщенного растяжения (схема Беккера: увеличения а, = а 2; а, = 0 и приложено в направлении оси образца). Образец, в котором в процессе обобщенного растяжения наиболее четко проявляются эффекты памяти, соответствует направлению а 3 in situ. 

При отсутствии априорной информации о возможной 
ориентации а 3 и а, in situ, использование метода требует изготовления и испытания большого количества образцов, ориентированных в различных направлениях с шагом не более 
5°. Если направление а, определено ранее (см. раздел 4 настоящей методики); то для определения направления а 3 достаточно 36 образцов, ориентированных в плоскости, перпендикулярной оси а, с шагом 5°. 

Направление промежуточного главного напряжения а2 

находится путем построения перпендикуляра к определенным 
ранее направлениям а, и ст3. 

6. Определение типа трехосного 
напряженного состояния при известном 
направлении максимального главного 
напряжения а, в массиве 

В случае если направление действия 
максимального 
главного сжимающего напряжения а} в массиве точно из
10