Особенности поведения датчика напряжений типа жесткого включения в соляных породах

С целью обоснования использования скважинных датчиков типа «жестких» включений для оценки изменения напряжений в соляных породах при ведении горных работ проведены теоретические и лабораторные исследования. Теоретические исследования заключались в численном моделировании поведения датчика напряжений в породном массиве методом конечных элементов, в результате которого получено выражение для коэффициента преобразования показаний датчика в величину действующих в породе напряжений. Установлено, что коэффициент преобразования зависит от соотношения упругих свойств породы и материала датчика, а также его геометрических параметров. Верификация результатов численного моделирования проведена посредством лабораторных исследований на блоках соляных пород при использовании датчиков с различными параметрами в режимах условно мгновенного и ступенчатого нагружения. Установлено, что зависимость между напряжениями, рассчитанными по показаниям датчика, и фактически действующими в блоке напряжениями имеет нелинейный характер. Данная особенность обусловлена нелинейным характером деформирования соляных пород. Также показано, что деформация ползучести соляных пород оказывает влияние на показания датчика в режиме длительного нагружения, что необходимо учитывать при расчете действующих в породах напряжений.

Барях А. А., Бельтюков Н. Л., Кузнецов А. И. Особенности поведения датчика напряжений типа жесткого включения в соляных породах // Горный информационно-аналитический бюллетень. – 2025. – № 11. – С. 5–18. DOI: 10.25018/0236_ 1493_2025_11_0_5.

Исследование выполнено при финансовой поддержке РНФ (проект № 19-77-30008-П).

Барях Александр Абрамович¹ — академик РАН, д-р техн. наук, научный руководитель, e-mail: bar@mi-perm.ru, ORCID ID: 0000-0003-2737-6166,
Бельтюков Николай Леонидович¹ — канд. техн. наук, старший научный сотрудник, e-mail: bnl@mi-perm.ru, ORCID ID: 0000-0002-0716-998X,
Кузнецов Александр Игоревич¹ — младший научный сотрудник,
¹ Горный институт УрО РАН.

Бельтюков Н.Л., e-mail: bnl@mi-perm.ru.

1. Tuncay D., Tulu I. B., Klemetti T. Investigating different methods used for approximating pillar loads in longwall coal mines // International Journal of Mining Science and Technology. 2021, vol. 31, no. 1, pp. 23—32. DOI: 10.1016/j.ijmst.2020.12.007.

2. Мельник В. В., Стась Г. В., Соловьев Р. А., Соловьев Д. А. Моделирование свода обрушения в твердых глинах // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. — 2023. — № 3. — С. 531—535. DOI: 10.24412/2071-6168-2023-3-531-535.

3. Трекин Н. Н., Авдеев К. В., Кодыш В. Э., Шмаков С. Д., Черепанов А. В., Тучин М. А., Чаганов А. Б. Разработка датчика для определения напряжений внутри железобетонных конструкций. Часть 2 // Сейсмостойкое строительство. Безопасность сооружений. — 2023. — № 5. — С. 40—52. DOI: 10.37153/2618-9283-2023-5-40-52.

4. Ullmann S., Lowke D. Suitability of subsequently installed vibrating wire sensors for direct stress measurement in concrete and mortar // MATEC Web of Conferences. 2022, vol. 361, article 07005. DOI: 10.1051/matecconf/202236107005.

5. Клевеко В. И., Тетерин Е. И. Выбор оборудования для проведения экспериментальных исследований напряженно-деформированного состояния армогрунтовых оснований и конструкций дорожных одежд // Construction and Geotechnics. — 2023. — Т. 14. — № 3. — С. 16—23. DOI: 10.15593/2224-9826/2023.3.02.

6. Pei H., Zhong Y., Feng W., Zhu H. A novel effective stress sensor based on FBG sensing technology for effective stress measurement in soil // Measurement. 2025, vol. 243, article 116331. DOI: 10.1016/j.measurement.2024.116331.

7. Felicita M., Pagella G., Ravenshorst G., Mirra M., van de Kuilen J.-W. Assessment of in-situ stress distribution and mechanical properties of wooden foundation piles instrumented with distributed fiber optic sensors (DFOS) // Case Studies in Construction Materials. 2024, vol. 20, article e03139. DOI: 10.1016/j.cscm.2024.e03139.

8. Amadei B., Stephansson O. Rock stress and its measurement. Springer, 1997, 490 p.

9. Liu Y., Zhang M., Li Y., Chen H. Research and application of small-diameter hydraulic fracturing in situ stress measurement system // Geoscientific Instrumentation, Methods and Data Systems. 2024, vol. 13, no. 1, pp. 107—116. DOI: 10.5194/gi-13-107-2024.

10. Wang C., Han Z., Wang Y., Wang C., Wang J., Hu S. Rapid in-situ stress measurement in vertical borehole based on borehole diametrical deformation analysis // Rock Mechanics and Rock Engineering. 2023, vol. 56, pp. 8289—8303. DOI: 10.1007/s00603-023-03472-3.

11. Beltyukov N. L. Studying the kaiser effect during modeling of rock loading conditions using the nx-borehole jack // Journal of Physics: Conference Series. 2021, vol. 1945, no. 1, article 012023. DOI: 10.1088/1742-6596/1945/1/012023.

12. Сосновская Е. Л., Авдеев А. Н. Оценка сложности полей природных напряжений золоторудных месторождений Восточных Саян // Известия Тульского государственного университета. Науки о Земле. — 2021. — № 4. — С. 464—474. DOI: 10.46689/2218-5194-2021-4-1-464-474.

13. Wang H., Dyskin A., Pasternak E., Dight P. Triaxial deformation rate analysis (DRA) // Rock Mechanics and Rock Engineering. 2024, vol. 57, pp. 1939—1962. DOI: 10.1007/s00603-023-03658-9.

14. Agarwal R. K., Boshkov S. Theory of the ‘soft inclusion’ as a deformation gauge in boreholes // International Journal of Rock Mechanics and Minings Sciences. — Pergamon Press, 1966, vol. 3, pp. 319—323.

15. Spathis A. T. A biaxial viscoelastic analysis of hollow inclusion gauges with implications for stress monitoring // International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences & Geomechanics Abstracts. 1988, vol. 25, no. 6, pp. 473—477.

16. Bois A.-P., Ballivy G., Saleh K. Monitoring stress changes in three dimensions using a solid cylindrical cell // International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences & Geomechanics Abstracts. 1994, vol. 31, no. 6, pp. 707—718.

17. Buswell H. J., Moore D. R., Owens A. The use of a high-modulus-inclusion gage in nonlinear viscoelastic materials // Experimental Mechanics. 1974, vol. 14, no. 7, pp. 274—280.

18. Skilton D. Behaviour of rigid inclusion stressmeters in viscoelastic rock // International Journal of Rock Mechanics and Minings Sciences. 1971, vol. 8, pp. 283—289.

19. Spathis A. T., Truong D. Analysis of a biaxial elastic inclusion stressmeter // International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences & Geomechanics Abstracts. 1987, vol. 24, no. 1, pp. 31—39.

20. Hawkes I., Fellers G. E. Theory of the determination of the greatest principal stress in a biaxial stress field using photoelastic hollow cylinder inclusions // International Journal of Rock Mechanics and Minings Sciences. 1969, vol. 6, pp. 143—158.

21. Грицко Г. И., Кулаков Г. И. Измерение напряжений в горных породах фотоупругими датчиками. — Новосибирск: Наука, 1978. — 144 с.

22. Кулаков Г. И. Фотоупругие датчики для геомеханических измерений (теоретические основы). — Новосибирск: Изд-во СО РАН, 1997. — 151 с.

23. Fossum A. F., Russell J. E., Hansen F. D. Analysis of a vibrating-wire stress gage in soft rock // Experimental Mechanics. 1977, vol. 17, pp. 261—264.

24. Cook C. W., Ames E. S. Borehole-inclusion stressmeter measurements in bedded salt / Proceedings of the 20th U.S. Symposium on Rock Mechanics (USRMS), Austin, Texas, June 1979, Paper Number ARMA-79-0481, pp. 481—485.

25. Satyanarayana I., Budi G. Evaluation of induced vertical stress during depillaring in blasting gallery panel workings // International Journal of Geo-Engineering. 2015, vol. 6, article 2. DOI: 10.1186/s40703-014-0002-z.

26. Seymour J. B., Tesarik D. R., McKibbin R. W., Jones F. M. Monitoring mining-induced stress changes with the biaxial stressmeter / Proceedings of the 5th international symposium on field measurements in geomechanics — FMGM99, Singapore, 1999, pp. 55—60.

27. Shen B. T., Duan Y., Luo X., van de Werken M., Dlamini B., Chen L., Vardar O., Canbulat I. Monitoring and modelling stress state near major geological structures in an underground coal mine for coal burst assessment // International Journal of Rock Mechanics and Minings Sciences. 2020, vol. 129, article 104294. DOI: 10.1016/j.ijrmms.2020.104294.

28. Зенкевич О. К. Метод конечных элементов в технике: пер. с англ. / Под ред. Б. Е. Победри. — М.: Мир, 1975. — 541 с.

29. Прочность. Устойчивость. Колебания: в 3 т. / Под общ. ред. И. А. Биргера, Я. Г. Пановко, 3 т. — М.: Машиностроение, 1968. — 567 с.

30. Барях А. А., Асанов В. А., Паньков И. Л. Физико-механические свойства соляных пород Верхнекамского калийного месторождения. — Пермь: ПГТУ, 2008. — 199 с.