Способ оценки изменений напряженного состояния элементов горных выработок

 

СОЮЗ СОЕЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН

4(5!) С 01 V 3/10

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н АВТОРСКОМ,Ф СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ (21) 3685150/24-25 (22) 04.01,84 (46) 23.05,85. Бюл. № 19 (72) Е.Г.Соболев (71) Донецкий филиал Научно-исследовательского горно-рудного института (53) 550.83(088.8 } (56) 1, Авторское свидетельство СССР

¹ 798298, кл. Е 21 С 39/00, 1976.

2. Авторское свидетельство СССР

¹- 996976, кл. С Ol V 11/00, 1981.

3. Авторское свидетельство СССР № 883430, кл. Е 21 С 39/00, 1979 (прототип). (54)(57) 1. СПОСОБ ОЦЕНКИ ИЗМЕНЕНИЙ

НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ ЭЛЕИЕНТОВ ГОРНЫХ .ВЫРАБОТОК, включающий процесс бурения скважин в исследуемых объемах элементов, измерения по глубинам скважин изменений скомпенсированной вертикальной составляющей напряжений главного магнитного поля Земли и сравнения с аналогичной величиной в объемах элементов целиковых частей массивов, отличающийся тем, что, с целью повышения чувствительности и экспрессности при ма„„SU„„1157506 лых трудовых затратах изменений напряженного состояния элементов преимущественно части борта карьера или кровли штрека, непрерывно пропускают постоянный ток силой до 10 А через подсоединенные к генератору электроды, установленные попарно на различные глубины в двух скважинах, пробуренных за границами исследуемой части элемента, непрерывно регистрируют ЭДС в катушке индуктивности при ее перемещении по профилям на высоте до 0,7 м от поверхности элемента, сравнивают формы и амплитуды ЭДС по профилям на различной глубине пропускания тока при обнаружении экстремальных изменений напряженного состояния пород элементов, а при режимных наблюдениях судят о развитии и скорости перемещения этих зон.

2. Способ по п.l, о т л и ч а юшийся тем, что частоту режимных измерений увеличивают в 3-4 раза в периоды сезонного подъема уровня подземных вод и при лунно-солнечных приливных пиковых вариантах.

1!57506

Изобретение относится к геофизическим методам контроля и может быть использовано для контроля динамики массивов горных пород, вскрытых горной выработкой, контроля изменений 5 напряженного состояния элементов горных выработок, с целью прогнозирования ополэневых явлений, потери элементов выработки устойчивости, а также может быть использовано для прогноза горных ударов, выбросов газа или угля, извержений вулканов, землетрясений. .Известен способ оценки напряженного состояния массива горных пород, !5 заключающийся в том, что в исследуемом и базовом массиве бурят скнажины, помещают в них зонды, состоящие из генераторной и приемной катушек.

При включенной установке измеряют 20 на различных частотах изменение диэлектрической проницаемости пород по длине скважины и по экстремальному значению отношений диэлектрических проницаемостей исследуемого и нетро- 25 нутого массивов устанавливают местоположение зоны увеличения напряженности массива пород.

Способ позволяет контролировать формирование зоны опорного давления З0 при относительно однородных литологических составах пород, по длине базовой и исследуемой скважин (13.

Недостатками способа являются: трудоемкость операций по бурению 35 шпуров (скважин ); значительное изменение диэлектрической проницаемости при изменении унлажненности участков массивов базового или контроли-. руемого; способ не обладает экспрес- 40 сностью; способ позволяет контролиронать напряженное состояние лишь вблизи околоскважинного пространстна.

Известен также способ определения изменений напряженно-деформирован-45 ного состояния горных пород. Согласно способу предварительно проводят детальную съемку электросопротивлений на площади массива горных пород, опреДеляют его области, друг от 50 друга отличающиеся по величине проводимости более чем в 100 раз. Затем определяют место контакта этих двух областей, устанавливают питающие электроды по разные стороны от кон- 55 такта и пропускают электрический ток (постоянный или переменный ), с целью поляризации контакта, одновременно на поляризационном контакте измеряют электромагнитные сигналы на различных частотах. Исследуют соотношение амплитуд сигналов различных частот и при достижениях последних определенных значений судят о изменении напряженно-деформированного состояния массива пород вблизи контакта.

Способ применим для контроля напряженно-деформированного состояния пьезо-кварцевых пород, контактирующих с осадочными, метаморфическими и рудосодержащими породами (2 ).

Однако способ имеет узкую область применения: не применим для участков поверхности Земли с мощным слоем глинистых пород, например, на месторождениях карбонатных пород, огнеупорных глин (мощность глинистых пород 40-50 м ). Сопротивление контактирующих пород в большнистве случаев лишь в несколько раз (до 10 ) отличается друг от друга, Осуществление способа по регистрации электромагнитных излучений на контактах пород подвержено влиянию внешних естественных и промышленных электромагнитных помех — сигналы могут быть соизмеримыми. Применение способа на контролируемой поверхности Земли может привести к ошибочным выводам о изменении напряженно-деформированного состояния пород: земная ггоаерхность находится в постоянном колебательном движении (дрожжит ) в магнитном поле Земли, что также вызывает над поверхностью Земли колеба ния векторов индукции, которые н приемных частях измерительного устройства индуктируют электромагнитные колебания самых различных частот, по амплитуде сопоставимые с сигналами на контактах после поляризации.

Согласно способу время поляризации неопределенно, поэтому величины ожидаемых электромагнитных и сейсмических излучений также неопределенными, что неизбежно приводит к ошибочным выводам о изменении напряженно-деформированного состояния горных пород. К тому же частоты амплитуды колебаний зависят от прилагаемых силы и напряжения электрического тока.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является способ оценки изменений напряженного состояния элементов горных выра-;

3 ))575 боток, включающий процесс бурения скважин в исследуемых объемах элементов измерения по глубинам скважин изменений скоипенсированной вертикальной составляющей напряжен ности главного магнитного поля и сравнения с аналогичной величиной в объемах элементов целиковых частей массивов.

Согласно способу бурят скважины и помещают в них неполяризующиеся электроды. Межскважинную часть массива поляризуют путем пропускания постоянного тока посредством неполяризующихся электродов. При появлении в массиве постоянного наведенного потенциала отключают напряжение, регистрируют во времени изменение наведенного потенциала и по экспериментальному значению потенциа- ла геоэлектрического поля положительной или отрицательной полярности судят о напряженном состоянии горного массива. Способ- позволяет контролировать изменение напряженного состояния массива горных пород лишь в объеме межскважинного пространства Ц3..

Однако по известному способу контролируется лишь межскважинная часть массива, а для увеличения объема контролируемьм пород необходимо провести дополнительные. объемы бурения, это делает способ трудоемким. Способ не обладает экспрессностью, Дпя осуществления способа необходимо знать геологическую структуру контролируе- М мого массива, что возможно только при проведении дополнительного бурения. Способ не позволяет производить длительный контроль изменений напряженного состояния при значительной обводненности горных пород массива.

Увлажнение пород в исследуемой части массива полностью исказит картину поляризации пород. При различных литологических изменениях от скважины к скважине и дополнительно к. этому .увлажнению пород меняется незаконоерно полярность и величина лоляриэаии, что приводит к ложной информа ции о изменении напряженного состоя- 50 ния массива горных пород. Способ не защищен от влияния промышленных

М электромагнитных помех, которые всегда наблюдаются при лроведеийи выработок и последующей эксплуатации мес-55 торождения.

Целью изобретения является повышение чувствительности и экспрессности

06 4 лри малых трудовых затратах изменений напряженного состояния элементов преимущественно части борта карьера или кровли штрека.

Поставленная цель достигается тем, что согласно способу оценки изменений напряженного состояния. элементов горных выработок, включающему процесс бурения скважин в исследуеиых объемах элементов, измерения по глубинам скважин изменений скомпенсированной вертикальной составляющей напряженности главного магнитного поля Земли и сравнения с аналогичной величиной в объемах элементов целиковой части массивов, непрерывно пропускают постоянный ток силой до )О А че.рез подсоединенные к генератору электроды, установленные попарно на различные глубины в двух скважинах, пробуренных за границами исследуемой части элемента, непрерывно регистрируют ЭДС в катушке индуктивности прн ее перемещении по профилям на высоте до 0,7 м от поверхности элемента, сравнивают формы и амплитуды

ЭДС ло профилям при различной глубине пропускания тока при обнаружении экстремальных изменений напряженного состояния пород элементов.

Кроме того, частоту режимных измерений увеличивают в 3-4 раза в пе риод сезонного подъема уровня подземных вод и при лучио-солнечных приливных пиковых вариантах.

При пропускании постоянного тока через некоторый объем пород в последнем, возникает постоянное магнитное (индукционное ) поле., Иагнитное попе характеризуется магнитными си,повыии линиями вектора индукции. На правление магнитных силовых линий ин" дуцированного магнитного поля в зази" симости от нанравления постоянного тока может совпадать или ие совпадать с направлением магнитных силовых линий вектора индукции глазного магнитного лоля Земли. При совпадении названных направлений аномалия главного магнитного. поля Земли на геометрических и физических неоднородностях может увеличиваться на )00-200 нТ, при изменениях пропускаемого тока в пределах 2-8 А.

Над поверхностью Земли (,до 0,6 м1 фиксируется суимарное магнитное поле. главное магнитное поле Земли и постоянное магнитное поле постоянного электрического тока, проходя1157506 щее по всему исследуемому объему горных пород. Магнитные силовые линии -1 вектора магнитной индукции главного магнитного поля и магнитные силовые линии постоянного индуцированного 5 магнитного поля постоянного тока преломляются на геометрических и физических неоднородностях, в том числе и на зонах изменения напряженного состояния, обратно пропорционального

Я и Vp..

13 где K„, E2 — диэлектрические проницаемости двух контактирующих пород; р„,)2 — магнитные проницаемости этих пород, а п . — коэффициент преломления.

В природе наблюдаются существенные различия даже немагнитных пород значений f в пределах 1-40 ед. Особенно высокое значение Е=81 у воды.

Магнитные проницаемости пород {кроме руд )почти всегда равны или больше единицы, но меньше двух, но изменяются в относительно больших преде)лах. Существует электрическая зависимость между магнитными аномалия39 ми над поверхностью Земли и скрытой стадией развития зон изменения физических свойств, причем эти зоны всегда вызывают изменения напряженного состояния пород элементов 85 горных выработок.

В способе используется извест ный факт уменьшения напряженного состояния горных пород, слагающих . массив, с увеличением их влажности, 4 а для глинистых пород — увеличение их влажности приводит не только к уменьшению напряженного состояния, I но и к разрушению. По данным ис- следований многих авторов наблюдает" 4 ся сезонное колебание уровня подземных вод. с октября .по май месяцы про.исходит подъем уровня вод от 10 до 15 м; затем происходит падение уровня. SO

В способе предлагается учитывать процесс изменения напряженного состояния пород под воздействием влаги путем постановки режимных наблюдений с октября по май месяцы с переходом через январь.

Иэ законов электродинамики известно, что во всяком замкнутом проводящем контуре при изменении потока магнитной индукции через площадь, ограниченную этим контуром„ возникает электрический индукционный ток.

Суммарная величина ЗДС индукции (E. ) пропорциональная скорости изменения суммарного потока индукции со временем и определяется по формуле (2Ф .,)ф

E =-(Е; Е ) ° „o )=

М1фо эЬУ+Ю2ф

2 От 2 ) где иЛ,, и 2 соответственно частоты пересечения контурных аномалий плотности магнитных силовых линий векторов индукции естественного и искусственного магнитных полей; соответственно углы между нормалью рамки и; магнитными силовыми линиями векторов индукции естественного (главного ) магнитного поля

Земли и магнитного поля тока; соответственно нормальные потоки магнитной индукции через площадь контура естественного и искусственного магнитных полей; время принятое для определения изменений потоков магнитных ининдукций.

У2—

+о )от

Согласно принципам суперпозиций полей в перемещаемой катушке индуктивности индуктируется суммарная ЭДС от векторов магнитных индукций главного магнитного ноля Земли и искусственного магнитного лоля тока.

Отличительной особенностью пред» лагаемого способа является то, что в отличии от других известных способов, оценки изменений напряженного состояния массивов горных пород, этот способ позволяет заблаговременно обнаружить момент зарожде= ния скрытых зон изменения термодинамического состояния пород, кото" рые одновременно являются зонами из.менения напряженного состояния по род. Использование способа для ре7 1157 жимного исследования элементов горных выработок позволит при обнаружении скрытых зон.произвести ряд предохранительных мер для предотвращения разрушения элемента. 5

Другой отличительной особенностью способа является: воэможность контроля напряженного состояния больших объемов пород, без нарушений их сплошности эа счет постановки скважин для размещения электродов на значительном расстоянии от элемента.

Способ применим и для длительного контроля изменений напряженного состояния элементов подземных выработок, кровли, почвы, стенок целиков, пластов угля. Пропускание постоянных токов различной плотности на различных глубинах позволяет подавить магнитные компоненты различных естественных и искусственных электромагнитных полей: индукционное магнитное поле в десятки раз превышает ,поля помех.

На фиг,1 показан план расположения профилей наблюдения и скважин для погружения электродов; на фиг.2— разрез А-А на фиг.l; на фиг.3 — разрез Б-Б на фиг.l; на фиг.4 — схема определения местоположения зоны из.— менений напряженного состояния пород борта карьера.

На фиг.l и 2 схематично-показаны

I скважина 1, для погружения питающих электродов, генератор 2 постоянного тока, профили 3 наблюдений, катушка

4 индуктивности, магнитный регистратор 5, бровка. 6 борта карьера, ополэная масса.7 пород борта карьера, след прогноэируемой зоны уменьше40 ния напряженного состояния пород борта карьера 8, погружные токовые электроды 9, глубины 10-12 пропускания тока, суглинки 13, глины с обломками скальных включений 14, закарстованные породы 15.

Схема образования суммарной магнитной аномалии на наклонной трещине внутри объема пород вблизи борта карьера (фиг.3 ) содержит магнитные силовые 50 линии 16 вектора магнитной индукции главного магнитного поля Земли, магнитные силовые линии 17 вектора магнитной индукции постоянного тока, зона наклонной трещины 18, окружности 55 расположения точек 19 равных векторов магнитной индукции электрического тока (концентрические окружности—

506 8 беэ однородностей ), линии расположения точек равных векторов магнитной индукции электрического тока (контуры неправильной формы — на неоднородностях 20 ), направление постоянного электрического тока 21 перпендикулярно плоскости чертежа.

На фиг.4 обозначено: а — изменения графиков ЭДС по трем глубинами

1-го профиля; б — геологический разрез по профилю; экстремальные значения ЭДС над заколом 22 зоной раэгрузки напряженного состояния пород борта карьера, закол пород 23, экстремальные значения ЭДС по трем глубинам 24, прогнозируемая плоскость скольжения пород 25, сползшая часть борта карьера 26 с наименьшим градиентом,изменения напряженного состояния, эона изменения напряженного состояния пород борта карьера 27.

Рассмотрим пример конкретного осуществления способа оценки изменений напряженного состояния элементов горных выработок на борту карьера, склонному к оползнеобразованию.

На достаточно большом расстоянии от борта карьера (до 100 м от бровки ) бурят две скважины 1 (фиг.2) для погружения питающих электродов 9 на глубины, на которых возможны изменения термодинамнческих состояний пород.

Изменения термодинамических состояний пород в рассматриваемом. случае, согласно геологическим данным, изменение напряженного аостояния пород с последующим оползнем возможно на всю глубину рыхлых отложений 13 и 14 до твердых 15 (фиг.2 ). Поэтому выбрана 10 глубина — 15 м, 11-я. глубина—

25 м, 12-я глубина - 40 м (фиг.2 ).

На оползнеопасных участках примерно перпендикулярно к бровке борта карьера 6 разбивают профиля наблюдений 3 с захватом зоны возможного закола 8. По профилям 3 при пропускании тока определенной полярности производят профилирование катушкой 4, сое" диненной кабелем с магнитным регистратором 5.

В качестве генератора 2 постоянного тока рекомендуется испольэовать генератор СГЭ-72. Для сравнения значений ЭДС по графикам конечной точки профилей выбирают на сползшей массе 7 пород борта карьера.

Вначале пропускают токи на пер" вой глубине (15 м ) и записывают графики изменений ЭДС по профилям. Гра1157506

10 фик ЭДС по ПР 1 при глубине пропускания 15 м.показан на фиг.4, а затем не изменяя силы тока в питающей сети пропускают тот же ток на глубинах 25 и 40 м и записывают графики

ЭДС(фиг.4аь

Причем предварительно выбирают направление пропускания тока через исследуемый объем пород путем замера вертикальной компоненты магнитного !б поля на какой-либо точке исследуемой площади: выбирают такое, которое по- . вышает значение вектора индукции магнитного поля.

До пропускания постоянного тока магнитные силовые линии магнитного вектора индукции 16 (фиг.3 ) прелом ляются .на границах различных пород, земля-воздух.и на зоне зарождения иэменений напряженного состояния пород борта карьера 18 по закону

Снеллиуса, образуя над поверхностью участки сгущений и разряжений линийе

Для контроля изменений напряжен- у ного состояния этих аномалий недостаточно для появления экстремальньм значений ЭДС на графиках.

При пропускании постоянного тока в объеме пород без неоднородностей по законам электромагнетиэиа на поверхности Земли появляются дополнительно магнитные силовые линии вектора магнитной индукции постоянного тока 17 также образуя равномерный

Э

35 фон.

При прохождении тока через неоднородность 18 над земной поверхностью образуются дополнительно участки сгущений и разряжения, образуя усиленную магнитную аномалию (фиг.3 ). Этих магнитных аномалий уже достаточно для образования экстремальных значений ЭДС 22 (фиг.4) на графиках профилирования.

Полученные графики ЭДС при пропускании токов на различных глубинах анализируют совместно. Для выбранных элементов горных выработок, в нашем примере бортов карьеров, характерно -следующее:

При перемещении катушки на эаколах пород возникает экстремальное значение 22 ЭДС, превышающие фоновые до 10 раз по амплитуде, вблизи бортов карьеров на ополэнеопасных

; участках появляются экстремальные значения 24 ЭДС, амплитуды которых .I до 5-8 раэ больше фоновых.

Опытная проверка бурением показывает, что экстремальным значением

24 ЭДС соответствуют зоны формирования плоскости скольжения 25 при зоне зарождения изменений напряженного состояния пород 15.

Совместный анализ графиков ЭДС позволяет определить местоположение зоны изменений напряженного состояния пород находится на глубине от

15 до 40 м и она находится на расстоянии 25 м от начала профиля; сполз" шая часть пород 26 борта карьера имеет наименьший градиент изменений напряженного состояния, часть пород 27 борта представляет зону максимальных изменений напряженного состояния пород до следующего закола.

Способ изпытан на двух бортах карьеров Докучаевского флюсодоломитного комбината и Новотроицкого РУ в течение 1981-1983 гг.

Способ применим для контроля напряженного состояния стенок, потолчин, почвы, кровли подэемньм выраю боток. Кроме того, он может быть использован для контроля напряженного состояния массивов угля для прогно за выбросов.

В сейсмически активных районах возможно применение способа для прогнозирования землетрясений и извержений вулканов.

Экономическая эффективность предлагаемого способа не вызывает сомнений. Оценка напряженного состояния массива обычно производится бурением скважин. Она складывается из сокращения объемов разведочного бурения на 20% при средней стоимости бурения погонного м пород 10 руб/м, из сокращения сроков проведения предварительной и детальной разведок.

Расчет экономического эффекта произведен согласно формуле

Э -(СС Сн) ь(,Кн Kc)A где С с — стоимость геологоразведочных работ на км2площади руб/км (при общей сети всех видов разведок

100х200 м (50 скважин ка 1 км )и средней стоимостью 1 погонного м скважин с 1О руб.при глубине ис12

1157506

Фиг,1

A-A

Фиг.2 следований ?i --- -200 м С = 50 х 10 х х 200 = 100000 .руб/км );

C стоимость геолого-геофизических работ при сокращении скважин геологоразведочного 5 бурения на 20Х

Сн = (1 Ов2 ) Сс Оэ8 х 100000 = 80000 руб/км

К„, К - удельные капитальные затраты соответственно после внедрения геофизических методов. Разность удельных капитальных затрат составит на

1 км

К вЂ” К = - — — — — — 3200 руб/км

А = 25 км — площадь исследования.

При среднем размере месторождений нерудного .сырья 25 км экономиг ческий эффект от применения способа составит 500000 руб.!!57506

Е Л16 ЕБ!7 ЕЫ6 БС)6 ЕЕДГО ППг1 !О

-И

Е, Ы

-10

И

-И

f Hp0 и

Фиг,4

ВНИИПИ / Эаказ 3364/45 Тираж 748 Подписное филиал ППП "Патент", r.Óæãîðîä, ул.Проектная, 4