AUTOREFERAT PRZEDSTAWIAJĄCY OPIS DOROBKU I OSIĄGNIĘĆ NAUKOWYCH. Załącznik 2. dr inż. Janusz Makówka. Główny Instytut Górnictwa Katowice 2017

Transkrypt

1 Załącznik AUTOREFERAT PRZEDSTAWIAJĄCY OPIS DOROBKU I OSIĄGNIĘĆ NAUKOWYCH dr inż. Januz Makówka Główny Intytut Górnictwa Katowice 07 S t r o n a

2 . IMIĘ I NAZWISKO Januz Andrzej Makówka Urodzony 4 maja 964 r. w Parczewie Zamiezkały: Katowice, ul. Zawizy Czarnego 4/77. POSIADANE DYPLOMY, STOPNIE NAUKOWE Z PODANIEM NAZWY, MIEJSCA I ROKU ICH UZYSKANIA ORAZ TYTUŁU ROZPRAWY DOKTORSKIEJ Nazwa: tytuł doktora nauk technicznych Dycyplina: górnictwo i geologia inżynierka Miejce uzykania: Główny Intytut Górnictwa, Plac Gwarków, Katowice Rok uzykania: 000 Temat rozprawy doktorkiej: Zagrożenie tąpaniami jako kryterium zaniechania ekploatacji części pokładu węgla kamiennego. Nazwa: tytuł magitra inżyniera Dycyplina: górnictwo i geologia Specjalność: projektowanie i budowa kopalń Miejce uzykania: Akademia Górniczo-Hutnicza, al. Mickiewicza 0, Kraków Rok uzykania: 990. INFORMACJA O DOTYCHCZASOWYM ZATRUDNIENIU W JEDNOSTKACH NAUKOWYCH Od do chwili obecnej: Główny Intytut Górnictwa, Plac Gwarków, Katowice Od r. do chwili obecnej: adiunkt Od do r. : aytent Od r. do r.: pracownik inżynieryjno-techniczny 4. WSKAZANIE OSIĄGNIĘCIA WYNIKAJĄCEGO Z ART. 6 UST. USTAWY Z DNIA 4 MARCA 00 R. O STOPNIACH NAUKOWYCH I TYTULE NAUKOWYM ORAZ O STOPNIACH I TYTULE W ZAKRESIE SZTUKI (DZ. U. NR 65, POZ. 595 ZE ZM.) 4.. TYTUŁ OSIĄGNIĘCIA NAUKOWEGO Metoda określania wartości i kierunków kładowych głównych naprężenia z użyciem ukierunkowanego hydrozczelinowania kał. 4.. ZESTAWIENIE JEDNOTEMATYCZNYCH PUBLIKACJI STANOWIĄCYCH PODSTAWĘ PRACY HABILITACYJNEJ (AUTOR/AUTORZY, TYTUŁ, ROK WYDANIA, NAZWA WYDAWNICTWA). Makówka J. 004: Zatoowanie ukierunkowanego hydrozczelinowania kał (UHS) do określania naprężeń w górotworze. Materiały konferencji Zimowa Szkoła Mechaniki Górotworu, Szklarka Poręba S t r o n a

3 . Makówka J. 006: Podtawy metody określania naprężeń głównych z wykorzytaniem ukierunkowanego hydrozczelinowania kał. Prace Naukowe GIG nr 868. Katowice. Makówka J. 00: Interpretacja i wtępne wyniki badań nad zatoowaniem ukierunkowanego hydrozczelinowania kał do określania naprężeń w górotworze. Kwartalnik Akademii Górniczo-Hutniczej Górnictwo i Geologia, zezyt, rok 4. Kraków, tr Makówka J., Drzewiecki J. 0: Directed hydrofracturing a a method of rock burt mitigation, methane drainage and tre tate determination in rock ma. Proceeding of 4 ICSMRI Conference, New Delhi, India 5. Makówka J. 04: Metoda określania trójoiowego tanu naprężenia w górotworze z wykorzytaniem ukierunkowanego hydrozczelinowania N-UHS. Prace Naukowe GIG nr 890. Katowice 6. Makówka J. 05: Method of determining the triaxial tre tate in the rock ma with directed hydrofracturing. Arch. Min. Sci., Vol. 60 (05), No, p Udział naukowy wpółautora w pracy nr 4 wymienionej wśród oiągnięć naukowych zotał przedtawiony w załączonym oświadczeniu znajdującym ię w załączniku nr 5 do Wnioku. 4.. OMÓWIENIE CELU NAUKOWEGO WYMIENIONYCH PRAC I OSIĄGNIĘTYCH WYNIKÓW WRAZ Z OMÓWIENIEM ICH WYKORZYSTANIA 4... WPROWADZENIE W poprzednim rozdziale wymieniłem 6 prac, w tym 5 amodzielnych, które zawierają ię pod wpólnym tytułem Metoda określania wartości i kierunków kładowych głównych naprężenia z użyciem ukierunkowanego hydrozczelinowania. Uważam, że opracowana metoda tanowi oryginalne oiągnięcie naukowe w dycyplinie górnictwo i geologia inżynierka w zakreie geomechaniki. Na metodę kładają ię natępujące opracowane przeze mnie elementy: ) poób przeprowadzenia pomiaru parametrów proceu ukierunkowanego hydrozczelinowania, kładający ię z wymagań co do wykonania otworów wiertniczych, układu pomiarowego i poobu przeprowadzenia ukierunkowanego hydrozczelinowania; ) poób rejetracji i interpretacji wyników badań oraz ) poób obliczania wartości i kierunków kładowych głównych naprężenia na podtawie parametrów geometrycznych otworów wiertniczych i określonych w toku pomiarów i interpretacji wartości ciśnienia ponownego zamknięcia zczelin wytworzonych w wyniku hydrozczelinowania. W pracach 4 przedtawiona jet pierwza werja metody, zakładająca pionowy kierunek działania naprężenia głównego więkzego (oznaczanego jako lub S V, werja z prac 5 i 6 jet uzupełniona i rozzerzona, pozwala na określanie wzytkich parametrów naprężeń głównych. Jak to wynika ze piu moich pozotałych publikacji zamiezczonych w załączniku 6, moim zaadniczym przedmiotem zaintereowania jet zagrożenie tąpaniami i czynniki je determinujące. Podtawowym czynnikiem mającym wpływ na tan tego zagrożenia jet tan naprężenia w otoczeniu wyrobik górniczych. W więkzości polkiej literatury przedmiotu Konopko W., Dubińki J., 000: Tąpania. Ocena, prognoza, zwalczanie. Wyd. Główny Intytut Górnictwa, Katowice Kłeczek Z., 994: Gemechanika górnicza. Wydawnictwo Śląkie, Katowice. S t r o n a

4 dominuje kładowa pionowa naprężenia jako podtawowy czynnik warunkujący poziom zagrożenia wytąpieniem tąpnięcia. Wynika to z jednej trony z dużej głębokości ekploatacji złóż węgla kamiennego (a także rudy miedzi), generującej naprężenie pionowe o dużej wartości (rzędu 0 MPa i więkzych), przekraczającej z reguły wartość wytrzymałości na ścikanie węgla, co jet warunkiem wytąpienia tąpnięcia. Z drugiej trony, brak danych dotyczących pomierzonych wartości naprężeń poziomych w Górnośląkim Zagłębiu Węglowym (w otatnich latach dokonano pomiarów w czekiej części GZW 4 ) nie pozwolił na głębzą analizę zagadnienia. Tymczaem w niektórych przypadkach tąpnięć rejetrowanych w otatnich 5-0 latach naprężenia poziome odegrały prawdopodobnie itotną rolę 5. Takim przypadkiem były dwa tąpnięcia w kopalni Rydułtowy-Anna w partii E, pokład 7/-, który przytaczam w rozdziale Naprężenia poziome mają itotny wpływ na warunki utrzymania wyrobik chodnikowych, co znajduje odzwierciedlenie w pracach podejmowanych głównie na potrzeby kopalń rud miedzi 6, ale również kopalń węgla kamiennego 7. W tym kontekście potrzeba dyponowania metodą określania naprężeń w górotworze jawiła mi ię jako zczególnie itotna z punku widzenia możliwości dokonania itotnego potępu zarówno na polu bezpieczeńtwa pracy pod ziemią, jaki dokonalzego projektowania wyrobik podziemnych o więkzej tateczności i mniejzym kozcie wykonania i utrzymania. Metodą taką może być opracowania metoda określania naprężeń z użyciem ukierunkowanego hydrozczelinowania ZARYS FIZYCZNYCH PODSTAW ZASTOSOWANEJ METODY BADAŃ Metoda określania wartości i kierunków kładowych głównych naprężenia z użyciem ukierunkowanego hydrozczelinowania kał wzięła wój początek z połączenia dwóch metod. Jedną z nich jet metoda określania naprężeń poprzez tłoczenie wody do otworu wiertniczego, który przecinają zczeliny. Stanowi ona rozwinięcie metody opartej o hydrozczelinowanie w pionowych (lub zorientowanych zgodnie z kierunkiem najwiękzego naprężenia głównego) otworach wiertniczych. Metoda wykorzytująca itniejące zczeliny, określana krótem HTPF (ang. hydraulic tet on pre-exitning fracture), opracowana w 984 roku przez F.H. Cornette a 8, pozwala określać kładową naprężenia działającą w kierunku protopadłym do płazczyzny zczeliny. Tłoczenie wody do takiej zczeliny i równoczena rejetracja ciśnienia i przepływu pompowanej wody pozwala określić przy jakim ciśnieniu zczelina otwiera ię a tym amym jakie naprężenie w kierunku normalnym do zczeliny panuje w danym fragmencie górotworu. Itotę metody HTPF przedtawia ryunek b. Dubińki J., 989: Sejmiczna metoda wyprzedzającej oceny zagrożenia wtrząami górniczymi w kopalniach węgla kamiennego. Prace GIG. Seria dodatkowa. Katowice 4 Soucek K., Koniczek P., Sta L., Waclawik P, 0: Experimental Approach to Meaure Stre and Stre Change in Rock ahead of Longwall Mining Face in Czech Coal Mine. Proceeging of Coal Operator' Conference 0, Wollongong, Autralia 5 Tajduś A., Fliiak M., Cała M. 004: Wpływ pierwotnego tanu naprężenia w górotworze na zagrożenie tąpaniami. Materiały XI Międzynarodowej Konferencji Naukowo-Technicznej Tąpania, Utroń 6 Butra J., Dębkowki R., Pawelu D., Szpak M. 0: Wpływ naprężeń pierwotnych na tateczność wyrobik górniczych. Cuprum nr (58) 7 Pawelu D. 008: Ocena wpływu naprężeń poziomych na tateczność wyrobik ścianowych w kopalniach węgla kamiennego. Materiały Szkoły Ekploatacji Podziemnej, Szczyrk 8 Cornette F.H., Valette B. 984: In itu tre determination from hydraulic injection tet data. J. Geophy. Re. 89, B, pp S t r o n a

5 a) b) Ry.. Zaada określania naprężeń z użyciem hydrozczelinowania (a) i metodą HTPF (b) 9 Opracowana w latach 90 w GIG 0 metoda ukierunkowanego hydrozczelinowania kał (UHS) pozwala wytwarzać ztuczną zczelinę w górotworze. Najczęściej toowana werja tej metody pozwala wytwarzać zczelinę w płazczyźnie protopadłej do oi otworu. Jet toowana zeroko w kopalniach węgla kamiennego do ochrony wyrobik chodnikowych, wpomagania pierwzego zawału i do ograniczania zagrożenia tąpaniami. WYKONYWANIE HYDROSZCZELINOWANIA Spoób wykonania ukierunkowanego hydraulicznego zczelinowania kał przedtawiony jet na ryunku. Z wyrobika wykonywany jet otwór wiertniczy pod określonym kątem poziomym i pionowym, do głębokości, na której zaplanowano wykonanie zczelinowania. Narzędzie wiertnicze wycofuje ię i w jego miejce na żerdzi wiertniczej intaluje ię narzędzie do wykonywania zczeliny zarodnikowej, czyli nacięcia na pobocznicy otworu. Narzędzie wprowadza ię do dna otworu i poprzez zadanie obrotów i niewielkiego pouwu wykonuje ię zczelinę zarodnikową ry. a. Narzędzie to przedtawia ryunek. Ponownie intaluje ię narzędzie wiertnicze i przedłuża otwór wiertniczy ry. b. Pozwala to na wprowadzenie do otworu dwutronnej głowicy uzczelniającej (ang. traddle packer) w ten poób, by jego dwie poduzki uzczelniające znalazły ię po dwóch tronach zczeliny zarodnikowej ry. c. Packer jet rozpierany hydraulicznie poprzez podanie do poduzek wtępnego ciśnienia a natępnie do tak uzczelnionego odcinka otworu wraz ze zczeliną zarodnikową tłoczona jet woda pod odpowiednim ciśnieniem ry. d. Naratające ciśnienie wody, oddziałujące na pobocznicę otworu oraz powierzchnie tworzące zczelinę zarodnikową, powoduje wytworzenie naprężenia rozciągającego w zakończeniu zczeliny zarodnikowej a natępnie po przekroczeniu wytrzymałości na rozciąganie powtaje pęknięcie, które propaguje w płazczyźnie wyznaczonej przez płazczyznę zczeliny zarodnikowej. Natępuje to poprzez oddziaływanie ciśnienia tłoczonej wody na ścianki wytwarzanej zczeliny. Propagacja wytwarzanej zczeliny natępuje tak długo jak długo 9 Amadei B., Stephanon O. 997: Rock Stre and it Meaurement. Chapman & Hall. 0 Konopko W., Kabiez J., Merta G., Makówka J., Szubert S., Zehnal J. 997: Ukierunkowane hydrozczelinowanie kał i możliwości jego zatoowania. Prace Naukowe GIG Nr 84 5 S t r o n a

6 wydatek tłoczonej wody nie zotanie zrównoważony przez ucieczki wody przez przecinane nieciągłości i ubytki z tytułu naączania kały. a) wykonanie zczeliny zarodnikowej b) przedłużenie otworu wiertniczego c) intalowanie packera d) tłoczenie wody Ry.. Spoób wykonania ukierunkowanego hydrozczelinowania kał UHS wiertnica, żerdź, narzędzie do wykonywania zczelin zarodnikowych, 4 zczelina zarodnikowa, 5 przedłużenie otworu, 6 packer, 7 odcinek tłoczenia, 8 żerdź/ przewód wyokociśnieniowy, 9 pompa, 0 manometr, tłoczona woda, wytworzona zczelina Ry.. Szczelina zarodnikowa i narzędzie do jej wykonywania Metoda UHS otwiera możliwość wytwarzania zczelin (nieciągłości) w górotworze o zróżnicowanej orientacji, pozwalając na tetowanie naprężenia w płazczyznach o zróżnicowanym nachyleniu, ograniczonym jedynie technicznymi możliwościami wykonywania otworów wiertniczych. Możliwość tą wykorzytałem opracowując pierwzą werje metody, opianą w pracach do 5, najpełniej w pracy, powtałej na zakończenie projektu badawczego włanego, nr 5TA Do wykonywania pomiarów opracowałem dwa układy otworów 6 S t r o n a

7 o zróżnicowanej orientacji: układ rozbieżny ry. 4a i układ zbieżny ry. 4b. Oba układy kładają ię z 9 otworów o kątach nachylenia 45, 60 i 75 i kątach azymutalnych (względem protopadłej do ociou) +0, 0 i -0. Układ rozbieżny jet dogodny z praktycznego punktu widzenia, gdyż pozwala na wykonanie z jednego tanowika wiertniczego, drugi natomiat pozwala na wykonanie pomiarów w ograniczonej objętości górotworu. W obu przypadkach zakładano długość otworów rzędu 0 m, pozwalającą na prowadzenie zczelinowania w takiej odległości od wyrobika, w której dla typowego przekroju wyrobika w obudowie w rozmiarze ŁP8 o zerokości 4,7m (w świetle wyrobika) względny przyrot naprężenia jet rzędu 5%. Długość otworów może być dotoowana do wielkości wyrobika, z którego ą wykonywane. Podobnie orientacja otworów może być zmieniana toownie do lokalnych warunków geologicznych. Faktyczne wartości kątów każdego z otworów ą dokładnie mierzone po ich wykonaniu. ~7m ~0 otw.,4,7 otw.,5,8 ~7m ~0 otw.,6,9 a) b) Ry. 4. Układ otworów a) rozbieżnych i b) zbieżnych WYPOSAŻENIE I SPRZĘT POMIAROWY Do wykonania badań oprócz przętu wiertniczego i wpomnianego powyżej narzędzia do wykonywania zczelin zarodnikowych wymagane jet poiadanie źródła wody pod wyokim ciśnieniem, oprzętu hydraulicznego, głowicy uzczelniającej oraz przętu pomiarowego. Jako źródło cieczy pod wyokim ciśnieniem w pierwzej werji metody (prace -5) łużyła kopalniana tacja pomp i magitrala zailająca kompleky obudowy zmechanizowanej w emulję wodno-olejową, itniejąca na każdej kopalni węgla kamiennego. Rozwiązanie takie ma itotne zalety, w potaci nikiego koztu i braku ograniczeń związanych z intalacją dodatkowych urządzeń elektrycznych i mechanicznych w ograniczonych przetrzeniach wyrobik podziemnych. Jego wady to dotępność magitrali w ograniczonej części wyrobik, wahania ciśnienia oraz mogące wytępować czaowo niewytarczające ciśnienie emulji, zczególnie w ytuacji wykonywania hydrozczelinowania na więkzych głębokościach. Z tego względu w trakcie prac nad drugą werją metody opracowano założenia i kontruowano dedykowany mobilny agregat pompowy, przedtawiony na ryunku 5. 7 S t r o n a

8 a) b) Ry. 5. Mobilny agregat pompowy a) projekt i b) wykonanie Najważniejze cechy pompy to: możliwość płynnej regulacji ciśnienia wody w zakreie do 45 MPa i wydatku w zakreie do dm /min, dopuzczenie do pracy w warunkach niebezpieczeńtwa wybuchu metanu i pyłu węglowego oraz układ tłumienia pulacji ciśnienia wody z użyciem hydroakumulatora. Drugim, kluczowym elementem zetawu przętu do badań jet głowica do hermetyzacji otworu, mająca na celu odizolowanie zczeliny zarodnikowej i umożliwienie tłoczenia wody pod odpowiednio wyokim ciśnieniem. Ryunek 6 przedtawia dwie przykładowe głowice w układzie dwutronnym (ang. tradle packer). Wkazane jet używanie głowic z niezależnym obwodem rozpierania, zapewniającym hermetyzację otworu podcza całego cyklu pomiarowego. Ry. 6. Głowice do dwutronnej hydraulicznej hermetyzacji otworów (IPI, Autralia) a) werja z niezależnymi przyłączami rozpierania i tłoczenia, b) werja do wpółpracy z żerdzią dwuścienną, c) żerdź dwuścienna - przyłącze obwodu tłoczenia, - przyłącze obwodu rozpierania, - packer dolny, 4 - ekcja tłoczenia, 5 - packer górny, 7 żerdź dwuścienna W toku badań konieczne jet jednoczene rejetrowanie zmian ciśnienia oraz przepływu wody. Dlatego trzecim, kluczowym kładnikiem wypoażenia jet zetaw pomiarowy, na który kładają ię: przepływomierz i przynajmniej jeden czujnik ciśnienia oraz rejetrator. Ryunek 7 przedtawia przykładowy zetaw pomiarowy, kładający ię z laptopa pomiarowego z kartą akwizycji danych, czujnika przepływu oraz trzech czujników ciśnienia. Dodatkowe czujniki ciśnienia łużą do kontroli ciśnienia rozparcia packera oraz ciśnienia na wejściu układu pomiarowego. 8 S t r o n a

9 Ry. 7. Zetaw pomiarowy (laptop z kartą akwizycji danych, czujniki ciśnienia, przepływomierz) PROCEDURA PRZEPROWADZENIA POMIARU W celu prawidłowego przeprowadzenia parametrów hydrozczelinowania umożliwiających przeprowadzenie obliczeń wartości i kierunków naprężeń głównych konieczne jet przeprowadzenia natępującej ekwencji czynności.. Określenie lokalizacji tanowika pomiarowego Stanowiko pomiarowe należy umiejcowić w wyrobiku chodnikowym w otoczeniu kał niepękanych i niepoddanych bezpośrednim oddziaływaniom ekploatacyjnym. Z tego względu jet niewkazana lokalizacja tanowik pomiarowych w wyrobikach równoległych do pola zrobów bądź w wyrobikach ekploatacyjnych. Z podobnego powodu, w przypadku wytępowania lokalnych ukoków, w zczególności ukoków przecinających wyrobiko, nie jet wkazane blikie ich ąiedztwo. Stanowiko pomiarowe powinno być zlokalizowane tak, aby wytwarzane w proceie UHS płazczyzny nieciągłości nie przecinały prawdopodobnej płazczyzny ukoku w odległości mniejzej niż 0 m od otworu.. Sprawdzenie tanu górotworu w miejcu planowanej lokalizacji tanowika pomiarowego Po wtępnym określeniu lokalizacji tanowika pomiarowego, na podtawie mapy górniczej oraz oobitej inpekcji takiego miejca, należy wykonać pionowy tetowy otwór wiertniczy o długości 0 5 m. Otwór taki należy natępnie prawdzić kamerą endokopową w celu określenia profilu geologicznego kał nadległych i zidentyfikowania ewentualnych pękań czy nieciągłości. Korzytne wykonanie otworu nachylonego w kierunku, w którym natępnie będą wykonywane otwory badawcze i wykonanie w nim podobnej inpekcji. Wytępowanie pękań, nieciągłości czy itotnych niejednorodności przecinanych wartw kalnych dykwalifikuje daną lokalizację do prowadzenia dalzych badań.. Wykonanie otworów badawczych Po twierdzeniu w otworach tetowych odpowiedniej jakości górotworu, na tanowiku pomiarowym należy wykonać erię otworów badawczych ze zczelinami zarodnikowymi w układzie rozbieżnym (ry. 4a) lub zbieżnym (ry. 4b). Seria taka powinna kładać ię 9 S t r o n a

10 z minimum ześciu otworów. W praktyce korzytne jet wykonanie więkzej ich liczby. Standardowo jet zalecane wykonanie dziewięciu otworów o długości m przy lokalizacji zczeliny zarodnikowej 0 m od wlotu otworu. Otwory nadmiarowe mogą być wykorzytane w przypadku natrafienia na lokalne zaburzenia w budowie górotworu, złej jakości zczelin zarodnikowych, niekorzytnego przebiegu proceu zczelinowania czy błędów w zapiie przebiegu tego proceu. Długość otworów powinna być odpowiednio zwiękzona w przypadku gabarytów więkzych niż tandardowe, potykane w polkim górnictwie. W razie wątpliwości długość otworów należy określić na taką, by zczelina zarodnikowa znajdowała ię w objętości górotworu, w której wpływ ąiedztwa wyrobika zmienia naprężenia makymalnie o 5% w tounku do tanu naturalnego. 4. Sprawdzanie otworów badawczych i określanie ich kątów odchylenia Wykonane otwory badawcze wraz ze zczelinami zarodnikowymi powinny być prawdzone kamerą endokopową. Sprawdzenia wymaga jakość wykonania zczeliny zarodnikowej oraz tan otworu wiertniczego w jej ąiedztwie w celu wykluczenia nieciągłości i ubytków w otoczeniu zczeliny w części otworu, w której zaintalowana będzie głowica uzczelniająca w celu wykluczenia jej uzkodzenia. Natępnie należy wykonać pomiar kątów odchylenia poziomego i pionowego wzytkich otworów oraz dokładnej głębokości wykonania zczeliny zarodnikowej. 5. Montaż układu pomiarowego Układ pomiarowy należy zmontować w poób zapewniający zczelność na połączeniach oraz właściwe utwierdzenie głowicy uzczelniającej w otworze tak, aby w czaie zczelinowania nie wyunęła ię z otworu. Uprozczony chemat połączeniowy przedtawiono na ryunku 8. Głowica może być wkładana do otworu za pomocą pecjalnych zczelnych żerdzi lub ztywnego węża gumowego. Po włożeniu głowicy na właściwą głębokość żerdzie bądź wąż gumowy należy unieruchomić i zabezpieczyć przed wyunięciem. Do końcówki węża lub żerdzi, jak najbliżej wylotu otworu, należy podłączyć czujnik ciśnienia i czujnik przepływu. Za czujnikami, w odległości zapewniającej bezpieczeńtwo na wypadek wyunięcia głowicy i żerdzi, lecz umożliwiającej oberwację otworu, należy podłączyć układ zaworów i manometrów kontrolnych. W ąiedztwie należy uytuować rejetrator do zapiu ciśnienia i przepływu, połączonego z czujnikami. Natępnie układ zaworów i manometrów należy podłączyć do agregatu pompowego Ry. 8. Uprozczony chemat układu pomiarowego do N-UHS mobilny agregat pompowy, węże wyokociśnieniowe, zawory, 4 manometr, 5 rejetrator, 6 przewód ygnałowy, 7 wąż odpływowy, 8 czujniki ciśnienia i przepływu, 9 żerdź/przewód wyokociśnieniowy, 0 głowica uzczelniająca, kąt podnieienia otworu, kąt azymutalny otworu 0 S t r o n a

11 6. Wykonanie zczelinowania Po zmontowaniu układu pomiarowego należy wycofać ooby niezaangażowane bezpośrednio w wykonanie pomiaru na bezpieczną odległość od otworu i poza ąiedztwo węży łączących otwór z agregatem pompowym z uwagi na ewentualne zagrożenie związane z uzkodzeniem układu hydraulicznego i możliwość narażenia na oddziaływanie cieczy pod wyokim ciśnieniem. Po napełnieniu i odpowietrzeniu układu hydraulicznego, należy włączyć rejetrator, podłączyć obwód rozpierania głowicy i podać ciśnienie rozpierania zgodnie z zaleceniami producenta (zwykle rzędu 5-0 MPa) a natępnie obwód rozpierania odciąć, uniemożliwiając padek ciśnienia w tym obwodzie. Ciśnienie w obwodzie rozpierania należy na bieżąco kontrolować. Jego padek oznacza uzkodzenie głowicy lub innej części obwodu. W takiej ytuacji należy przerwać zczelinowanie. Natępnie należy przytąpić do właściwego zczelinowania. W tym celu należy otworzyć obwód tłoczenia i topniowo zwiękzać ciśnienie w układzie, równocześnie oberwując ciśnienie w obwodzie tłoczenia i rozpierania oraz przepływ w układzie, otwór pomiarowy oraz ocioy wyrobika w ąiedztwie w celu twierdzenia ewentualnych wycieków. Podcza prawidłowego przebiegu pierwzej fazy zczelinowania, po oiągnięciu pewnego ciśnienia, zależnego od głębokości lokalizacji wyrobika, wytrzymałości na rozciąganie kały, w której zlokalizowano otwór ze zczeliną oraz kąta nachylenia otworu, powinna wytworzyć ię nieciągłość płazczyzna rozwartwienia, objawiająca ię nagłym wzrotem przepływu i padkiem ciśnienia. Zjawiku temu może towarzyzyć efekt akutyczny oraz po pewnym czaie wypływ cieczy z ociou lub ąiednich otworów. Po wytworzeniu nieciągłości należy topniowo zmniejzać ciśnienie w układzie tłoczenia. Przy pewnym ciśnieniu natąpi zanik przepływu, co oznacza zamknięcie wytworzonej zczeliny i tym amym koniec pierwzej fazy zczelinowania. Natępnie należy przeprowadzić kilka kolejnych cykli pompowania, zwiękzając ciśnienie do wytąpienia przepływu cieczy do otworu i natępnie zmniejzając do jego zaniku. Odpowiada to ponownemu rozwieraniu i zamykaniu wytworzonej nieciągłości. Rejetrowane ciśnienia, w zczególności ciśnienia zamknięcia zczeliny, tanowią wraz z wartościami kątów odchylenia poziomego i pionowego otworów, dane do obliczania kierunków i wartości naprężeń głównych w górotworze. Na ryunku 9 przedtawiono uprozczony wykre zmian ciśnienia i przepływu cieczy w czaie pierwzego i drugiego cyklu pompowania. Pc = ciśnienie zczelinowania Pr = ciśnienie ponownego otwarcia zczeliny Przepływ Ciśnienie Zamknięcie zczeliny P = ciśnienie zamknięcia zczeliny Cykl Cykl Zamknięcie zczeliny P = ciśnienie zamknięcia zczeliny Po = ciśnienie wody w porach Cza Ry. 9. Uprozczony wykre ciśnienia i przepływu w proceie hydrozczelinowania z dwoma cyklami pompowania S t r o n a

12 Ciśnienie, MPa Natężenie przepływu, dm / Ciśnienie, MPa Natężenie przepływu, dm / Po wykonaniu zczelinowania jet wkazane dokonanie ponownego prawdzenia otworów kamerą endokopową. W przyjających okolicznościach, jeśli otwory zotaną prawdzone natychmiat po zczelinowaniu, na podtawie oberwowanego wycieku cieczy, będzie możliwe twierdzenie czy wytworzyła ię nieciągłość. Po wykonaniu hydrozczelinowania i zarejetrowaniu zmian ciśnienia i przepływu w kilku kolejnych cyklach pompowania, należy dokonać na ich podtawie określić ciśnienia ponownego zamknięcia zczeliny poprzez interpretację zgromadzonych zapiów. INTERPRETACJA DOKONANYCH REJESTRACJI Interpretacja wyników hydrozczelinowania polega na odczytywaniu wartości ciśnień z wykreów w ich charakterytycznych punktach. Przykładowy wykre zapiu ciśnienia i przepływu przedtawia ryunek 0a. Ciśnienia charakterytyczne określane na podtawie rejetracji to ciśnienie zczelinowania P c, ciśnienie zamknięcia zczeliny P, ciśnienie ponownego otwarcia zczeliny P r oraz najważniejze z punktu widzenia dalzych obliczeń ciśnienie ponownego zamknięcia zczeliny P. Pierwze dwie wartości ciśnienia ą możliwe do odczytania z pierwzego cyklu tłoczenia cieczy lub cyklu, w którym zczelina powtała. Kolejne dwie wartości dotyczą kolejnych cykli pompowania. W celu udokonalenia odczytu wartości parametrów hydrozczelinowania użteczne jet oczyzczenie zapiów ciśnienia i wydatku przepływu z zakłóceń. Przykładowe zapiy ciśnienia i przepływu przed oczyzczeniem i po oczyzczeniu przedtawiono na ryunku 0. Zapiy przetworzono z zatoowaniem wędrującej średniej, to znaczy średniej z poprzedzających 50 wartości zapiu, odpowiadających okreowi jednej ekundy w zapiie, przy czętotliwości 50 Hz. Z poniżzych ryunków wynika, że w znacznej części zapi jet wolny od krótkookreowych wahań, lecz w dalzym ciągu wytępują gwałtowne zmiany wartości chwilowych przepływu. Cza, Cza, a) b) Ry. 0. Zapi zmian ciśnienia i przepływu: a oryginalny, b po przetworzeniu Ciśnienia charakterytyczne mogą być określane dwoma poobami. Pierwzy z nich jet zgodny z intrukcją toowania tandardowej metody określania naprężenia in itu z zatoowaniem metody hydrozczelinowania wydanej przez American Society for Teting and Material. Polega on na wykonywaniu wpółbieżnych wykreów ciśnienia i prędkości przepływu cieczy zarejetrowanych w czaie zczelinowania i odczytaniu ciśnień Haimon, B. C. & Cornet, F. H. 00: ISRM uggeted method for rock tre etimation-part : Hydraulic fracturing (HF) and/or hydraulic teting of pre-exiting fracture (HTPF). International Journal of Rock Mechanic and Mining Science. T. 40, nr 7 8, S t r o n a

13 dp/dt, MPa/ dp/dt, MPa/ Odwrotność przyrotu ciśnienia dt/dp, MPa Przyrot ciśnienia dp/dt, MPa charakterytycznych (ry. 0). W niektórych publikacjach (np. Ljunggrena i Nordlunda 004, Zhao, Hefny ego i Zhou 005 ) jet potykana również metoda polegająca na analizie wykreów zależności przyrotów ciśnienia w jednotce czau dp/dt w funkcji ciśnienia lub dt/dp w funkcji ciśnienia (ryunki i ). a) b) a) b) Ciśnienie P, MPa Ciśnienie P, MPa Ry.. Określanie ciśnienia zamknięcia zczeliny z użyciem wykreów dp/dt i dt/dp 6 P, MPa P, MPa a) b) Ry.. Wykre dp/dt = f(p) dla rzeczywitych zapiów: a przetworzonych, b nieprzetworzonych Ciśnienie zczelinowania P c W klaycznej metodzie hydrozczelinowania ciśnienie to jet określane jako zczytowe ciśnienie w pierwzym cyklu pompowania, po którym natępuje jego padek na kutek przepływu cieczy do zczeliny. W rzeczywitych warunkach badań prowadzonych w kopalniach węgla kamiennego częto nie oberwowano takiego zjawika. Dodatkowo na początku pierwzego cyklu zczelinowania układ pomiarowy napełniał ię cieczą i wiązało ię z tym wytępowanie fazy, w której przepływ cieczy nie powodował wytworzenia zczeliny. Po tej fazie natępowało zmniejzenie prędkości przepływu lub jego całkowity zanik, a natępnie nowa faza przepływu. Zmiany te nie zawze były odzwierciedlane w zmianach ciśnienia. Trzy typowe przebiegi pierwzego cyklu pompowania przedtawiono na ryunku. Ljunggren C., Nordlund E., 004. A method to determine the orientation of the horizontal in-itu tree from hydrofracturing meaurement in inclined borehole. Lulea Univerity of Technology Zhao J., Hefny A., Zhou X., 005. Hydrofracturing in itu tre meaurement in Singapore granite. International Journal of Rock Mechanic and Mining Science Vol. 4, iue 4, S t r o n a

14 Pc p, MPa Q, l/ 5 5 p, MPa Q, l/ 0, 0 p, MPa P, MPa 0 4 P, MPa 0,08 5 P, MPa 5 Pc Pc 0 0,06 0 p 5 0,04 5 P Q 0 p 0 p 0,0 5 Q P Q P t, t, Q, l/ t, Ry.. Różne typy przebiegów pierwzego cyklu pompowania podcza hydrozczelinowania, P ciśnienie, Q przepływ, t cza Przyjęto, że za ciśnienie zczelinowania P c będzie uznawane ciśnienie pierwzego piku na wykreie ciśnienia po zaniku lub padku przepływu związanego z napełnianiem otworu. Ciśnienie zamknięcia zczeliny P Ciśnienie zamknięcia zczeliny P oznaczano jako ciśnienie, przy którym zanikał całkowicie przepływ w pierwzym cyklu pompowania. 0,8 0,6 0,4 0, 0 Ciśnienie ponownego otwarcia zczeliny P r Ciśnieniem ponownego otwarcia zczeliny P r przyjęto oznaczać ciśnienie, przy którym w drugim i kolejnym cyklu pompowania natępował przepływ cieczy. Przykładowy wykre rozpoczęcia jednego z kolejnych cykli pompowania, w którym na początku można oberwować przepływ nietabilny, przechodzący w tabilny, pokazano na ryunku P, p, MPa Q, l/ P r P p t, Ry. 4. Przykład przebiegu jednej z kolejnych faz zczelinowania P ciśnienie, Q przepływ, t cza Ciśnienie ponownego zamknięcia zczeliny P Ciśnienie ponownego zamknięcia P zczeliny tanowi ciśnienie, przy którym w drugim i kolejnym cyklu pompowania zanika przepływ cieczy, w tym także przepływ nietabilny. Podtawę właściwej analizy danych pomiarowych tanowiło twierdzenie momentów w zapiie zmian ciśnienia i natężenia przepływu, dokonanych w przypadku danego otworu pomiarowego, w których zanikał przepływ i wykonaniu wykreu dp/dt = f(p) dla danych z dwóch ekund przed i dwóch ekund po zaniku przepływu. Taki cza oberwacji pozwalał na uzykanie czytelnego zbioru danych, pozwalających na dalzą interpretację. Na uzykanym wykreie identyfikowano protoliniowe odcinki. Rzędna punktu przecięcia tych odcinków była identyfikowana jako wartość ciśnienia zamknięcie zczeliny P. Przykładowa para wykreów zotała przedtawiona na ryunku 5. Q 4 S t r o n a

15 Ciśnienie, MPa Natężenie przepływu, dm / dp/dt, MPa/ P P Cza, P, MPa Ry. 5. Para wykreów do interpretacji ciśnienia ponownego zamknięcia zczeliny a wykre zmian ciśnienia i przepływu w czaie, b wykre przyrotu ciśnienia w czaie (dp/dt) w funkcji ciśnienia Metoda dp/dt = f(p) jet używana w ytuacjach, gdy nie jet prowadzony pomiar i rejetracja przepływu lub rejetracja taka jet obciążona dużym błędem i/lub opóźnieniem związanym z uytuowaniem czujnika przepływu w intalacji z dużą bezwładnością (np. z dużą ilością węży gumowych). W ytuacji intalowania czujników bliko otworu wiertniczego nie zachodzi taka ytuacja, w związku z tym najprotzym i pozwalającym określać ciśnienie ponownego zamknięcia zczeliny P jet określanie na podtawie wykreów zmian ciśnienia i przepływu jak na ryunki a. Widoczny na wykreie chwilowy wzrot przepływu jet związany z zamykaniem zczeliny, przepływem w kierunku z górotworu do układu pomiarowego, wpominany w literaturze 4, niekiedy używany do określenia ciśnienia zamknięcia zczeliny. Jak wpomniano powyżej i jak wynika z ryunku 0, możliwe jet (i jet wkazane) wykonywanie wielu kolejnych cykli pompowania i tym amym określania parametrów proceu hydrozczelinowania, przede wzytkim ciśnienia ponownego otwarcia zczeliny P r oraz ciśnienia ponownego zamknięcia zczeliny P. Wartości te mogą ię różnić między obą. Zagadnienie to nie doczekało ię jak dotąd jednoznacznego opracowania, będzie przedtawione w dalzej części niniejzego dokumentów dotyczącego praktycznych zatoowań metody. W uprozczeniu przyjmuje ię, że ciśnienia z drugiego cyklu pompowania (pierwzego po wytworzeniu zczeliny) ą bardziej wiarygodne od kolejnych OBLICZANIE NAPRĘŻEŃ GŁÓWNYCH Itotą opracowanej przeze mnie metody określania naprężeń głównych jet założenie, że ciśnienie ponownego zamknięcia zczeliny w proceie ukierunkowanego hydrozczelinowania jet równe kładowej naprężenia działającej zgodnie z kierunkiem oi otworu wiertniczego, a zarazem protopadle do płazczyzny zczeliny zarodnikowej i wytworzonej z niej zczeliny w górotworze. Wykonanie dotatecznej liczby pomiarów ciśnienia zamknięcia zczeliny z otworów wiertniczych o różnej orientacji pozwala na obliczenie wartości i kierunków działania naprężeń głównych w górotworze, co jet tożame z określeniem pełnego tenora naprężeń. Opierając ię na tych założeniach opracowałem pierwzą werję poobu obliczania naprężeń. Jet ona opiana najpełniej w pracy nr. Zakłada ona działanie naprężenia głównego najwiękzego w kierunku pionowym. Oparłem ją co do podtaw na rozwiązaniu Ljunggrena i Nordlunda, opracowanego na potrzeby 4 Amadei B., Stephanon O., 997. Rock tre and it meaurement. London, Chapman and Hall, pp S t r o n a

16 hydrozczelinowania w otworach nachylonych 5. Natępnie opracowałem uogólnienie tej metody, umożliwiające obliczanie kierunków i wartości naprężeń niezależnie od ich orientacji. Jet to opiane w pracach 5 i 6. Określenie orientacji naprężeń głównych w przetrzeni wymaga przyjęcia poobu tranlacji arbitralnie przyjętego układu wpółrzędnych do układu dowolnie zorientowanego. Znane z literatury (np. Jaeger, Coock i Zimmerman 6 ) rozwiązania podają poób tranlacji polegający na obrocie o kąt zenitalny (dopełnienie do 90 kąta podnieienia) i kąt poziomy (azymutalny). Niech układ wpółrzędnych Oxyz jet układem naprężeń głównych. Niech układ wpółrzędnych Px y z jet układem wpółrzędnych przekztałconym w poób pokazany na ryunku 6. W nowym układzie wpółrzędnych oś Pz jet obrócona o kąt oś Px' leży w płazczyźnie OPz a oś Py uzupełnia układ do prawokrętnego układu wpółrzędnych i jej zwrot jet zgodny z kierunkiem naratania kąta. Składowa werora e z' nowego układu wpółrzędnych, wyrażana za pomocą kątów i, określająca kierunek oi Pz jet dana jako: e z' in co in in co () Kierunek oi Px może być określony poprzez zatąpienie kąta przez /, co daje kładową werora e x' co co co in in () Weror oi Py jet protopadły do oi Oz i tworzy kąt / z oią Ox oraz kąt z Oy, więc e y' in co 0 () Całkowity weror nowego układu wpółrzędnych ma więc potać coco co in in e x' in co 0 (4) in co in in co 5 Ljunggren C., Nordlund E. 990: A method to determine the orientation of the horizontal in-itu tree from hydrofracturing meaurement in inclined borehole. Praca doktorka C. Ljunggrena. Lulea Univerity of Technology (niepublikowana). 6 Jaeger J., Cook N., Zimmerman R., 007. Fundamental of rock mechanic, 4th ed. Oxford, Blackwell Publihing, pp S t r o n a

17 z o y Ry. 6. Układ wpółrzędnych pierwotny i układ wpółrzędnych po przekztałceniu o kąty i Zatoowanie tego poobu przekztałcenia układu wpółrzędnych w warunkach przyjętego na początku układu wpółrzędnych wymaga zatoowania tranlacji odwrotnej. Niech kąty i oznaczają kąty odpowiednio odchylenia poziomego i podnieienia, będące w natępującej relacji do kątów i jak pokazano na ryunku 7, to relacja kątów,, i jet natępująca: / (5) oraz (6) Oznacza to, że jeśli: in in( / ) co co co( / ) in in in( / ) co co in( / ) in x (7) 7 S t r o n a

18 z o y Ry. 7. Układ wpółrzędnych do przekztałcenia z Px y z do Oxyz x oraz in in( ) in co co( ) co in in( ) co co in( ) in (8) to podtawiając odpowiednie (5) i (6) do (4) uzykuje ię co co(- ) co in(- ) in f in(- ) co(- ) 0 (9) in co(- ) in in(- ) co co po uprozczeniu, uwzględniającemu zależności (7) i (8) pozwala uzykać weror przekztałcenia z układu Px y z do Oxyz (jak to pokazano na ryunku 8): 8 S t r o n a

19 in co in in co f in co 0 (0) co co co in in Przekztałcenie tenora naprężeń z układu odnieienia Px y z do Oxyz to T f ' f () Jeżeli założyć, że tenor naprężenia jet tenorem w układzie wpółrzędnych Oxyz, zaś w układzie wpółrzędnych Px y z tenor taki, że 0 0 σ ' 0 0 () 0 0 gdzie, i ą naprężeniami głównymi nieuporządkowanymi co do wartości, to po dokonaniu przekztałcenia otrzymujemy natępujące zależności kładowych tenora naprężeń: xx yy zz xy xz yz in in co co co in in in co( ) in co co in co in co co in co in in co () z y O x Ry. 8. Układ wpółrzędnych Oxyz związanych z wyrobikiem i Px y z zgodny z kierunkami naprężeń głównych 9 S t r o n a

20 Analogicznie do układu wpółrzędnych związanych z wyrobikiem, układ wpółrzędnych można związać z otworem wiertniczym, którego orientacja względem wyrobika opiana jet kątami i ry. 9. z y x Ry. 9. Orientacja otworu wiertniczego względem wyrobika Jeśli w górotworze z tak zdefiniowanym tanem naprężenia wykonany zotanie otwór wiertniczy a z niego w płazczyźnie protopadłej do oi otworu wytworzona zotanie z użyciem UHS nieciągłość, to protopadle do tej płazczyzny działać będzie naprężenie ścikające, które identyfikuję z ciśnieniem ponownego zamknięcia wytworzonej nieciągłości P O n O x n x O y n y O z z (4) gdzie: x y z xx yx zx xy zy yy xz T T yz T zz (5) przy czym xy yx, xz zx, zy yz, natomiat weror wyznaczający kierunek otworu wiertniczego, określonego kątami i jet określony jako: n n n O x O y O z co co in co in (6) W celu określenia tanu naprężenia wyrażonego przez naprężenia główne,, oraz kąty określające ich orientację względem przyjętego lokalnego układu odnieienia i, konieczne jet podanie pięciu niezależnie pomierzonych danych P, P, P, P, P O O O O4 O5 0 S t r o n a

21 oraz odpowiednich kątów określających orientację otworów wiertniczych, z których wykonano pomiar wymienionych ciśnień n i n : P P P P P O O O O4 O5 n n n n n O x O x O x O4 x O5 x n x n x n x n x n x O y O y O y O4 y O5 y n y y n y y y O z n n n O z O z O4 z O5 z z z z z z (7) gdzie n, n, n oznaczają kładowe werorów wyznaczających kierunki kolejnych Oi x Oi y Oi z otworów o kątach i. Przekztałcenie tenora naprężeń z przyjętego układu wpółrzędnych do układu wpółrzędnych związanych z naprężeniami głównymi jet możliwe jedną z metod znanych z mechaniki klaycznej. W ytuacji ogólnej, gdy przekztałcenie układu wpółrzędnych związanych z naprężeniami głównymi do układu wpółrzędnych związanych z otworem wiertniczym związane jet z obrotem o kąty i, jet ono opiane werorem: co co in in co f in co 0 (8) co co co in in Uzykanie wzajemnej relacji pomiędzy układami wpółrzędnych Px y z, związanego z naprężeniami głównymi, układem wpółrzędnych Oxyz związanego z wyrobikiem i układu wpółrzędnych związanego z otworem wiertniczym, wymagałoby dokonania kolejno dwóch T T przekztałceń: f ' f a natępnie przekztałcenia odwrotnego do f f. Zważywzy, że tenor naprężenia nie jet tenorem naprężeń głównych, a więc kładowe tyczne nie ą zerowe, wynikiem byłyby wyrażenia dużo bardziej złożone niż (). Dla przykładu, naprężenie zz, działające wzdłuż oi otworu wiertniczego, ma potać: zz in in co co co in zz co co in co in in xy yz xz co co co co xy xx yz co in co in Rozwinięcie tej zależności z uwzględnieniem () uczyniłoby potać tak uzykanego tenora naprężeń bardzo trudną do rozwiązania. Z tego względu korzytnym jet dokonanie bezpośredniego przekztałcenia tenora naprężeń głównych do układu wpółrzędnych związanego z otworem wiertniczym: in g co xz co in in in in co 0 co co in in yy (9) (0) S t r o n a

22 Tenor naprężenia w układzie odnieienia związanym z otworem O jet równy O, uzykany po przekztałceniu O g ' g T () a jego kładowe mają potać: O xx O yy O zz O xy O xz O yz in in co in in in co in co in in co co co in in in co in co in in co () Szczelina zarodnikowa wykonywana w proceie przygotowania ukierunkowanego hydrozczelinowania wyznacza płazczyznę protopadłą do oi otworu i jet protopadła do oi Z układu wpółrzędnych związanych z otworem wiertniczym. Na tak wyznaczonej płazczyźnie, po wykonaniu nieciągłości w wyniku zadania ciśnienia w odcinku otworu ze O zz O O zczeliną zarodnikową, działa naprężenie, natomiat naprężenia tyczne xz i xy ą równe zeru jako na płazczyznach wolnych. Z tego względu uznaję za uprawnione O twierdzenie, że ciśnienie P zamknięcia nieciągłości, do której pompowana jet ciecz, jet równa kładowej naprężenia działającego protopadle do tej płazczyzny, czyli naprężeniu : O zz O co in co in P () W celu określenia tanu naprężenia wyrażonego przez naprężenia główne,, oraz kąty określające ich orientację względem przyjętego lokalnego układu odnieienia i, konieczne O O O5 jet podanie pięciu niezależnie pomierzonych danych P, P,, P oraz odpowiednich kątów określających orientację otworów wiertniczych, z których wykonano pomiar wymienionych ciśnień n i n : P P P P P O O O O4 O5 co in co in co in co in co in co in co 4 in 4 co 4 in 4 co in co in W pierwzej werji metody, opianej w pracy nr, potać układu równań jet podobna. W oparciu o odmienny ytem odnieienia, przedtawiony na ryunku 0, założenie, że najwiękze naprężenie główne ma kierunek pionowy i przyjęcie, że podtawowy układ wpółrzędnych jet związany z otworem wiertniczym nr, wyprowadziłem natępujący układ (4) S t r o n a

23 równań pozwalający obliczyć wartości naprężeń głównych i kierunek działania naprężenia poziomego więkzego: N S b S E S S S S Ry. 0. Schemat do utalania geometrycznych parametrów otworów wiertniczych w werji metody obliczeniowej V, S S P P P P S H co S h in in SV co S H co S h in in SV co S H co S h in in SV co S co S in in S co H h V (5) gdzie: odchylenie kątowe poziome i pionowe jednego otworu, arbitralnie przyjętego jako układ odnieienia,,, odchylenie kątowe w poziomie otworów, i 4 względem pierwzego otworu,,, odchylenie kątowe w pionie otworów, i 4 względem pierwzego otworu, S V naprężenie pionowe, identyfikowane z naprężeniem głównym najwiękzym, S H, S h naprężenia więkze i mniejze poziome. W przypadku poiadania mniejzej ilości pomiarów (na przykład w ytuacji nieudanych pomiarów, złej jakości otworów), możliwe jet przyjęcie założenia uprazczającego co do kierunku i/lub wartości jednej ze kładowych tanu naprężenia. Redukuje to ilość równań w układzie (7) a także umożliwia zatoowanie łatwiejzego do obliczenia układu równań znanego z wcześniejzej werji metody ZASTOSOWANIE WYNIKÓW BADAŃ Jako przykład zatoowania metody przedtawiam wyniki dwóch akcji pomiarowe z użyciem opiywanej metody. Pierwza z nich, opiana zerzej w pracy nr, miała miejce w Kopalni Węgla Kamiennego Wujek, w rejonie zybu wentylacyjnego II na poziomie 6. W jej ramach wykonano badania na 5 tanowikach pomiarowych (nazywanych eriami otworów) z czego na dwóch otwory badawcze wykonano w układzie rozbieżnym a trzy w układzie zbieżnym. Ich lokalizację przedtawia ryunek. S t r o n a

24 Reinterpretowa ne ciśnienie ponownego zamknięcia Ciśnienie ponownego zamknięcia Ciśnienie ponownego otwarcia Ciśnienie zamknięcia zczeliny Ciśnienie zczelinowania Kąt odchylenia Kąt podnieienia Otwór eria eria eria eria 4 eria 5 Ry.. Rejon prowadzenia pomiarów w KWK Wujek wraz ze toowanymi chematami rozmiezczenia otworów Uzykano zbiór zapiów, z których możliwe było określenie od dwóch do ześciu wartości ciśnienia ponownego zamknięcia zczeliny. Dla zapiów tych dokonano też próby reinterpretacji ciśnienia ponownego zamknięcia z użyciem metody wykreów dp/dt w funkcji ciśnienia. Uzykane wartości wykazywały na tyle itotne rozbieżności w tounku do tych uzykanych z wykreów zmian ciśnienia i przepływu w czaie, że nie były użyte do dalzych analiz. Wzytkie parametry ciśnienia charakterytyczne dla proceu hydrozczelinowania dla jednej z erii otworów wraz z kątami podnieienia i odchylenia, przedtawiono w tablicy. Tablica. Parametry hydrozczelinowania otworów erii z reinterpretacją Uwagi, topnie, topnie Pc, MPa P, MPa Pr, MPa P', MPa P', MPa 77-6,,48 6,04 4, 9,8,8,4 9,8,08,7 7,7 0,,6 8,5 4,56,9 9,5,56,504 średnia P 0,05 D ( P') / P 77 9,5 6,88 4,5 9,0 6,,6 8, 4,08 4,7 9,5 6,56 4, 8, 5,96,79 średnia P 0, D ( P') / P 8 7 7,88 6,6 6,04 6,04,5 9,04 4,4 9,7 4 S t r o n a

25 Reinterpretowa ne ciśnienie ponownego zamknięcia Ciśnienie ponownego zamknięcia Ciśnienie ponownego otwarcia Ciśnienie zamknięcia zczeliny Ciśnienie zczelinowania Kąt odchylenia Kąt podnieienia Otwór Uwagi, topnie, topnie Pc, MPa P, MPa Pr, MPa P', MPa P', MPa 6,84 6,08, 7, 6,96 9,8 7,8 5,87 średnia P 0,07 D ( P') / P , 6,88,44 8,96, 8,48 7,4 6,0 7,,56 0, 6,64 7,4 9,9 8,8 5,48 4,808 6,8 średnia P 0,5 D ( P') / P średnia P 0,0 D ( P') / P ,96 6,04,6 7,6 9,6 8,8 9,6 7,7 0,6,6 9,,68,4 7,7, 0,09 średnia P 0, D ( P') / P , 9,08 5,84 0,96 7, 4,44 9,88,6,6 0,9 9, 4,4 9, 8,8,64 9,08 9,5,84 7,99 średnia P 0, D ( P') / P ,4 0, 7,4 0, 9,6 7,68 8,5 9,96 7,54 średnia P 0,0 D ( P') / P ,08,,56,5 0, 7,4,6 7,0 7,64,44 7,7 9,96,5 9,7 9,96,96 9,704,96 średnia P 0,07 D ( P') / P Dla wartości ciśnień P obliczono wartości średnie P ' oraz tounek odchylenia tandardowego do wartości średniej D ( P ') / P '. Wkaźnik ten łużył do określenia powtarzalności wyników w kolejnych cyklach tłoczenia cieczy. Do obliczeń użyto wartości 5 S t r o n a

26 średnich ciśnień powtórnego zamknięcia zczeliny z otworów, dla których tounek odchylenia tandardowego ciśnień powtórnego zamknięcia do ich wartości średnich wynoił 0, lub mniej. Jeśli w erii nie było minimum 4 wyników o tounku odchylenie tandardowe/średnia >0, dobierano dane, dla których ten tounek był najlepzy. Numery otworów, z których dane wykorzytano Tablica. Wyniki obliczeń naprężeń głównych w KWK Wujek Naprężenie pionowe SV, MPa Naprężenie poziome więkze SH, MPa Naprężenie poziome mniejze Sh, MPa Kąt między naprężeniem poziomym więkzym a kierunkiem odnieienia, topnie Seria, 6, 6, 8 -,0 8,56, -,6 Seria,, 5, 8 9,45 6,5-8,04 0,7,, 5, 9 5,8 7,907 5, 6,5,, 8, 9,8 49,79,579 88,05, 5, 8, 9 9,08 7,67 -,04 9,08, 5, 8, 9 0,78 6,7-9,5 4,8 Seria 4, 5, 7, 9 8,5 5, 6,909 9,06 Seria 5, 4, 8, 9 6,8 57,66-8,99,07,, 8, 9 7,057 97,74-8,97,7 Seria 6 5, 7, 8, 9,96 7,5-7,7 6,6 W przypadku erii uzykano pięć kompletów danych, co pozwoliło na przeprowadzenie pięciu obliczeń z różnymi zetawami danych. Nie uzykano pójnych wartości naprężeń, więc nie zotały one zaprezentowane. Na ryunku przedtawiono obliczone kierunki działania naprężeń poziomych więkzych S H. Z wyjątkiem wyników z erii 5 i jednego wariantu wyniku z erii kierunki działania tych naprężeń ą zbliżone. W przypadku wyników z erii 5 możliwe jet lokalne zaburzenie tanu naprężenia wynikające z obecności krzyżowania wyrobik i wytępowania kolejnego wyrobika w niewielkiej odległości. eri a eria eria eria 4 eria 5 Ry.. Orientacja naprężeń poziomych więkzych S H według uzykanych wyników obliczeń 6 S t r o n a

27 N Kolejnym pomiarem, wykonywanym z użyciem udokonalonego zetawu aparatury, był pomiar prowadzony w kopalni Rydułtowy-Anna. Badania prowadzono w rejonie N-E w pokładzie 7/-. Stanowiko pomiarowe uytuowano w pochylni II 00-E, na głębokości 80m - ry.. W odległości około 700m od tanowika w latach miały miejce dwa tąpnięcia. Przebieg tąpnięć oraz zjawika im towarzyzące kłaniały pecjalitów analizujących te przypadki do pozukiwania ich przyczyn w nietypowych źródłach. Jedną z nich był prawdopodobny nietypowy i nieymetryczny tan naprężenia, mogący mieć woje źródła w zaburzeniach edymentacyjnych pokładu i kał otaczających oraz biegnąca w pobliżu oś niecki o przebiegu NNE-SSW. Przyczyny te kłoniły kopalnię do udzielenia zgody na przeprowadzenie badań tanu naprężenia. Wpomniane nieregularności trukturalne prawiły wiele trudności w prawidłowym przeprowadzeniu badań, w zczególności trudne było znalezienie odpowiednich obzarów górotworu, w których otwory wiertnicze przecinałyby jednorodny górotwór na długości minimum metrów. Dodatkowo napotkano na trudności w uzykaniu krajowych głowic uzczelniających, w wyniku czego zdecydowano o zakupie głowic dwutronnych produkcji autralijkiej (ry. 6). Odpowiednie warunki do wykonania zczelinowania uzykano w otworach i w nich dokonano odpowiednich pomiarów. Schemat wykonanych otworów na tanowiku badawczym przedtawia ry. b. Zacieniowano otwory, z których uzykano interpretowalne wyniki. otw.,, otw.4,5,6 otw.7,8,9 ~58 ~45 ~8 9m m otw.,4,7 ~6 otw.,6,9 ~8 9m m Otw.,5,8 Ry.. Mapa pokładu 7/- w rejonie N-E (a) i układ otworów na tanowiku badawczym (b) 7 S t r o n a

28 Spośród 9 otworów wykonanych na tym tanowiku, wartości ponownego zamknięcia zczeliny P uzykano w czaie pomiarów w trzech otworach:,, 4. Tablica przedtawia wartości tego ciśnienia oraz kąty podnieienia i odchylenia otworów, w których dokonano pomiarów. Otwór Tablica. Parametry otworów badawczych i uzykane wyniki Ciśnienie ponownego zamknięcia zczeliny P Kąt poziomego odchylenia otworu od protopadłej do ociou, Kąt podnieienia otworu od poziomu 8, MPa 7,7 58 5,6 MPa 7, ,5 MPa -6 4 Taki zakre danych nie pozwolił na pełne określenie wartości i kierunków naprężeń głównych. Jednakże zakładając, że naprężenie główne najwiękze działa w kierunku pionowym, oraz że jego wartość wynika jedynie z głębokości zalegania pokładu w punkcie wykonania tanowika pomiarowego, czyli, MPa, można połużyć ię zależnością (5), uprozczoną do potaci: P P P S H co S h in in SV co S H co S h in in SV co S co S in in S co H h V gdzie i ą kątami określającymi otwór, P ciśnienie ponownego zamknięcia zczeliny w otworze, zaś wartości z indekami i odnozą ię do wartości dotyczących otworów i 4. Poczynione uprozczenia pozwoliły uzykać natępujące wyniki: - wartość naprężenia poziomego więkzego S H = 6,88 MPa, - wartość naprężenia poziomego mniejzego S h =,05 MPa, - kąt odchylenia poziomego od kierunku protopadłej do ociou wyrobika czyli 0, na wchód od kierunku północnego. Wyniki zilutrowano na ryunku 4. 8 S t r o n a

29 N Otwór 4: 0.5 MPa Otwór : 8. MPa Otwór : 5.6 MPa S H= MPa S h=. 05 MPa Ry. 4. Wyniki określenia wartości i kierunków naprężeń w KWK Rydutowy-Anna i ich ilutracja Należy zauważyć, że uzykane i przedtawione powyżej wyniki określenia wartości i kierunków naprężeń poziomych ą obarczone potencjalnym błędem wynikającym z poczynionego założenia o kierunku i wartości naprężenia głównego najwiękzego, przyjętego jako pionowe. Godna uwagi jet zgodność kierunku działania naprężenia poziomego więkzego z kierunkiem przebiegu poblikiej oi niecki PODSUMOWANIE Opracowana przeze mnie metoda, opiana w przedtawionych pracach i opiie w powyżzych rozdziałach, uzupełnia zaób metod łużących do określania tanu naprężenia w górotworze. Stanowi oryginalne rozwiązanie w zakreie: wykorzytania do pomiarów metody ukierunkowanego hydrozczelinowania, poobu wykonania pomiaru parametrów UHS (zmiany ciśnienia i przepływu) i ich interpretacji oraz w zakreie metody obliczania wartości i kierunków naprężeń głównych w górotworze. Metoda jet możliwa do zatoowania w wyrobikach podziemnych, z zatoowaniem tounkowo protych środków technicznych. Potencjalnie może być zatoowana przez niewypecjalizowany peronel kopalniany w zakreie wykonania hydrozczelinowania i rejetracji danych. Co itotne, w tounku do najzerzej toowanych metod z rodziny metody overcoring, nie jet zależna od zmienności modułu ztywności i jego anizotropii w warunkach górotworu zbudowanego ze kał oadowych. 9 S t r o n a