Studying a correlation between characteristics of rock and their conditions

Abstract

Purpose is to determine dependences of velocities of elastic waves in isotropic rocks and anisotropic waves with orthotropic and transverse-isotropic symmetry upon pressure and depth to develop evaluation criteria and control rock mass characteristics and conditions in the neighbourhood of mine workings. Methods. Continuous anisotropic medium is under consideration. Group one of boundary conditions is represented by continuity of stresses, acting normally towards the boundary while transiting from layer 1 to layer 2. Group two of the boundary conditions is as follows: displacements in the process of the boundary transition are measured continuously too. The conditions are necessary to solve a Navier Stokes equation of dynamic balance of absolutely elastic medium. The experiments were carried out with the help of geoacoustic method in terms of the acoustic parameter of compressional velocity. Findings. It has been determined that compressional velocity values, anisotropy of compressional velocity, and elastic behaviour reflect regularly structural features being pressure-dependent ones. It has been demonstrated that dependence upon the stress state, anisotropy appearance/disappearance emergence takes place or a sign inversion. Qualitative dependences have been obtained to define elastic behaviour (Е, μ, G) of anisotropic formation with orthotropic and transverse-isotropic symmetry. The dependences have been obtained through compressional velocity to consider accurately the anisotropy of the rock mass while evaluating its stress state. The research results will help estimate nature of the stress distribution; identify stress concentration zones; and zones of the disturbed rock in the neighbourhood of a mine working. That will be done using acoustic parameter of compressional velocity using a method of geoacoustic control developed by the authors. Originality. In terms of the new obtained dependences, elastic behaviour of rocks (Е, μ, G) as well as acoustic parameters of compressional velocity has been determined scientifically. They are important to design and schedule mining operations. Practical implications. Being quite accurate to satisfy the demands of practical use, the obtained research results may be applied to identify digital values of elastic behaviour (Е, μ, G); to use the method of geoacoustic control of rock mass characteristics and conditions in the neighbourhood of mine workings; and to mine deposits with complex structural and mechanical properties.

Мета. Встановлення залежностей швидкостей пружних хвиль в ізотропних та анізотропних породах з ортотропною і трансверсально-ізотропною симетрією, від тиску та глибини, для розробки критеріїв оцінки й контролю властивостей і стану породного масиву поблизу гірничих виробок. Методика. Розглядається суцільне анізотропне середовище. Перша група умов на межі являється умовами безперервності напружень, що діють нормально до межі при переході з шару 1 в шар 2. Друга група граничних умов полягає в тому, що зміщення при переході через межу вимірюються також безперервно. Ці умови є необхідними для виконання рівняння динамічної рівноваги пружного середовища Новьє-Стокса. Експериментальні дослідження виконувалися геоакустичним методом за акустичним параметром швидкості поздовжньої хвилі. Результати. Встановлено, що величини швидкостей пружних хвиль, анізотропія швидкостей поздовжніх хвиль, пружні характеристики закономірно відображають особливості будови і залежать від тиску. Виявлено, що залежно від напруженого стану відзначаються випадки зникнення чи появи анізотропії, або зміни знаку на зворотний. Отримано кількісні залежності з визначення пружних характеристик (Е, μ, G) анізотропного масиву з ортотропною, трансверсально-ізотропною симетрією через швидкості пружних хвиль для правильного обліку анізотропії властивостей масиву при оцінці його напруженого стану. Результати досліджень дозволять оцінити характер розподілу напружень, виявити зони концентрації напружень і зони порушених порід поблизу гірничої виробки за акустичним параметром швидкості поздовжньої хвилі розробленого авторами методом геоакустичного контролю. Наукова новизна. Згідно нових отриманих залежностей, науково визначені значення пружних характеристик гірських порід (Е, μ, G) та акустичні параметри швидкості поздовжньої хвилі, що є цінними для проектування й планування розвитку гірничих робіт. Практична значимість. Отримані результати досліджень, з достатньою для практичного застосування точністю, можуть використовуватися для визначення числових значень пружних характеристик (Е, μ, G), дають можливість застосування методу геоакустичного контролю властивостей і стану породного масиву поблизу гірничих виробок і залучати до відпрацювання родовища зі складними структурно-механічними особливостями.

Цель. Установление зависимостей скоростей упругих волн в изотропных и анизотропных породах с ортотропной и трансверсально-изотропной симметрией, от давления и глубины, для разработки критериев оценки и контроля свойств и состояния породного массива вблизи горных выработок. Методика. Рассматривается сплошная анизотропная среда. Первая группа условий на границе представляется условиями непрерывности напряжений, действующих нормально к границе при переходе из слоя 1 в слой 2. Вторая группа граничных условий состоит в том, что смещение при переходе через границу измеряются также непрерывно. Эти условия являются необходимыми для выполнения уравнения динамического равновесия абсолютно упругой среды Новье-Стокса. Экспериментальные исследования выполнялись геоакустическим методом по акустическому параметру скорости продольной волны. Результаты. Установлено, что величины скоростей упругих волн, анизотропия скоростей продольных волн, упругие характеристики закономерно отражают особенности строения и зависят от давления. Выявлено, что в зависимости от напряженного состояния отмечаются случаи исчезновения или появления анизотропии, или перемены знака на обратный. Получены количественные зависимости по определению упругих характеристик (Е, μ, G) анизотропного массива с ортотропной, трансверсально-изотропной симметрией через скорости упругих волн для правильного учета анизотропии свойств массива при оценке его напряженного состояния. Результаты исследований позволят оценить характер распределения напряжений, выявить зоны концентрации напряжений и зоны нарушенных пород вблизи горной выработки по акустическому параметру скорости продольной волны разработанным авторами методом геоакустического контроля. Научная новизна. Согласно новым полученным зависимостям научно определены значения упругих характеристик горных пород (Е, μ, G), и акустические параметры скорости продольной волны, ценные для проектирования и планирования развития горных работ. Практическая значимость. Полученные результаты исследований, с достаточной для практического применения точностью, могут использоваться для определения числовых значений упругих характеристик (Е, μ, G), дают возможность применения метода геоакустического контроля свойств и состояния породного массива вблизи горных выработок и привлекать к отработке месторождений со сложными структурно-механическими особенностями.