Способ контроля напряженного состояния массива горных пород и устройство для его осуществления

 

Использование: определение напряженного состояния горного массива при его разработке. Сущность изобретения: устройство для контроля напряжённого состояния массива содержит два пластинчатых чувствительных элемента (ЧЭ), ЧЭ консольно закреплены в торце корпуса перпендикулярно друг другу. В центрах тяжести ЧЭ наклеены тензорезисторы. Корпус размещен в герметичном кожухе. На кожухе установлены виброизолирующие. эластичные кольца. Устройство размещают в скважине, изменяют его ориентацию. Измеряют изгибные деформации ЧЭ. Фиксируют максимальную деформацию одного из ЧЭ. По величине и направлению данной деформации определяют градиент сжатия массива. По изменению градиента сжатия массива во времени оценивают удароопасность массива. Измеряя градиент сжатия массива в нескольких точках определяют положение очага удароопасности. 4 з.п.ф-лы, 6 ил. с/ С

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (2 1) 4838804/03 (22) 19.06,90 (46) 23.01.93. Бюл. N 3 (71) Институт угля ОО АН СССР (72) В.А.Ким и Н.А.Жданкин (56) Авторское свидетельство СССР

M 1452985, кл. Е 21 С 39/00, 1988.

Fajklewlez 2., laklel К. Induced gravity

anomalies and seismic energy as à basis for

prediction of à mining tremors IIPure and

Appl. Geophys — 1989, v.129, 1Ф 3-4, р.р. 535552.

Авторское свидетельство СССР

М 1170399, кл. G 01 I7/02,,1983. (54) СПОСОБ КОНТРОЛЯ НАПРЯЖЕННОГО

СОСТОЯНИЯ МАССИВА ГОРНЫХ ПОРОД

И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ. (57) Использование: определение напряженного состояния горного массива при его

Изобретение относится к горному делу и может быть использовано при подземной разработке полезных ископаемых для контроля напряженного состояния массива горных пород, подверженного геодинамическим явлениям типа подвижек тектонических блоков, землетрясений, горных ударов, интенсивных и др.

Аналогом изобретения является известный способ определения обрушений горного массива при взрывной его отбойке в очистных блоках, включающий проведение, микрогравиметрических замеров в горных выработках, определение ускорения силы тяжести и выделение по полученным данным дефекта масс с последующим выводом о наличии в обрушаемом массиве необру„„ Ы „„1789685 А1 (siis E 21 С 39/00, G 01 Ч 7/00 разработке. Сущность изобретения: устройство для контроля напряженного состояния массива содержит два пластйнчатых чувствительных элемента (ЧЭ), ЧЭ консольно закреплены в торце корпуса перпендикулярно друг другу. В центрах тяжести ЧЭ наклеены тензорезисторы. Корпус размещен в герметичном кожухе. На кожухе установлены виброизолирующие эластичные кольца.

Устройство размещают в скважине, изменяют его ориентацию. Измеряют изгибные деформации ЧЭ. Фиксируют максимальную деформацию одного из ЧЭ. По величине и направлению данной деформации определяют градиент сжатия массива. По изменению градиента сжатия массива во времени оценивают удароопасность массива, Изме- . ряя градиент сжатия массива в нескольких точках определяют положение очага удароопасности. 4 з.п.ф-лы, 6 ил. шенных зон. Недостаток способа — проведение измерений только вдоль горизонтальных горных выработок, что весьма существенно ограничивает объем получаемой информации о поведении массива и приводит к ее искажению. Связано это, вопервых, с наличием в зонах влияния выработок локальных концентраций сжимающих или растягивающих напряжений, вносящих определенные коррективы в гравитационные параметры массива. Во-вторых, применяемая в данном способе гравиметрическая ап паратура предназначена для и ро ведения измерений только в горизонтальной плоскости. Известным способом можно оценить напряженность вертикального вектора статического гравитационного поля, но нельзя

1789685 правильно определить ориентацию; лавных напряжений в массиве, отличающихся от вертикальных, уточнйп, вклэд горизонтальной их компоненты, нэитй место очага дййа- мического явления не только в одной горизонтальной плоскости, но и в трех координатных осях, В результате такой способ малоинформативен, Известен способ контроля напряженного состояну массива и прогноза горных ударов; включающий проведение шахтных ми крогрэвймеФфиче ск их замеров "в гор н ых выработок; g "бИределение микроаномалий силы тяжести йЪявление которых свидетельствует о развитии в горном массиве полей упругих деформаций сжатия и приближении момента разрушения пород— при достижении аномалиями силы тяжести некоторых критериальных значений.

Недостатки прототийа те же, что и аналога — низкая информативность и недостаточная надежность определения трехмерного нэпря>кенного состояния массива в районах сейсмо-тектонической активности земной коры. Поэтому данный способ нашел и рйменение нэ угольных и соляных месторождениях, располо>кенных в спокойных платформенных областях, и мало приемлем для большинства рудных месторождений, Известно измерительное устройство грэвиметра, отличающееся тем, что с целью увеличейия точности измерения в него введены две пластинчэтых пружины с наклеенными на них пленочными тензорезисторами, Пластинчатые пружины соединены с измерительной кварцевой пружиной, при деформации которой срабатывает отсчетное устройство, подсоединенное к мостовой схеме пленочных тензорезисторов. В данном устройстве наряду с положительными технологическими приемами измерений (возможностью их эв томэтйзйции зэ счет применения весьма чувствительных тензорезисторных датчи ков,"вкл бченнйх в электрическую мостовую цепь) прослеживаются недостатки всех из вестных грэвиметров — их настроенность на регистрацию статической гравитационной напряженности, связанной только с верти кальным вектором сил притяжения. В устройстве не предусмотрено измерение ориентации главных напряжений, что ограничивает область его применения.

Цель изобретения — повышение информативности icîíòðîëÿ напряженного состояния" г*еод и наЪи ЙГски активного массива за счет измерения различно ориентированных компонейт грэвйтационного поля путем применения устройства новой конструкции.

gradecx = (AEMaxht) (2E Ы, /Зщ!) (1) 25 где AF „< — максимальное значение приращения деформаций чувствительного элемента; h,t — период между проведением измерений; l, Ь, h — соответственно длина, ширина, высота пластины чувствительного элемента, м; m — масса пластины, кг; Е— модуль упругости материала пластины, МПа, а гго знаку приращения градиента сжатия во времейи оценивают изменения на30

35 пря>кенного состояния массива и его удароопэсность. Способ также позволяет определить координаты очага повышенного сжатия и оценить ориентацию главных на4() пряжений, Для этого грэвиметрические измерения проводят в нескольких точках с различными пространственными координатами, по пересечению направлений градиентов сжатия, полученных в каждой точке, 45 определяют положение очага удароопасности-в" массиве, а по направлению максимального градиента сжатия устанавливают перпендикулярное ему направление действия максимального сжимающего напряжения, 5О Для осуществления способа предлагается новое устройство, включающее цилиндрический корпус, два пластинчэтых прямоугольных чувствительных элемента, кбнсольно ЗЭкрепленных на одном торце корпуса, и тензорезисторы, расположенные на поверхности чувствительных элементов. Устройство снабжено досылочной штангой с ориентирующим приспособлением, чувствительные элементы установлены перпендикулярно друг другу, штанга закреплена на другом торПост:l 3ленная цель достигается тем, что в известном способе, включающем периодические грэвиметрические измерения на контролируемом участке массива и определение величины гравитационной аномалии, по которой оценивают изменение напряженного состояния мэссивэ, гравиметрические измерения проводят в предварительно пробуренных скважинэх с помощью двух пластинчэтых чувствительных элементов, установленных Во взаимоперпендикулярных плоскостях, изменяют ориентацию элементов в скважине, измеряют изгибные деформации чувствительных

"5 элементов при их различной ориентации, регистрируют максимальную деформацию одного из элементов, фиксируют его ориентацию и по направлению, перпендикулярному плоскости данного элемента, 2О определяют напрэвление градиента сжатия массива, при этом в качестве сжатия, определяемое по формуле:

1789685 це корпусэ, а тензорезисторы размещены в центре тяжести чувствительных элементов.

С целью повышения помехазощищенности устройство снабжено герметичным металлическим кожухом и виброизолирующими эластичными кольцами, кожух установлен на корпусе, чувствительные элементы размещены в кожухе, виброизолирующие эластичные кольца закреплены на кожухе, а корпус устройства выполнен из материала с низкой акустической жесткостью. Ориентирующее приспособление устройства выполнено в виде поперечной планки, жестко соединенной со штангой и сектора с угловыми делениями, установленного на штанге с возможностью свободного вращения, Анализ отличительных признаков показывает, что все они в известных ранее объектах не обнаружены. А поэтому предложенное техническое решение характеризуется рядом новых признаков, что позволяет признать его отвечающим критерию "существенные отличия

На фиг.1 показана схема ведения работ по предлагаемому способу; на фиг.2 и 3— разрезы по устройству в статическом положении; на фиг,4 — тоже вдинамике; на фиг,5 — приспособление для определения ориентации устройства в скважине: нэ фиг.6— схема к определению местоположения очага повышенного сжатия и ориентации главных напряжений в массиве, Рассмотрим пример реализации способа.

Из выработки 1 в пункте контроля напряженного состояния массива бурят горизонтальную и вертикальную скважины 2 и устанавливают в них измерительные устройства 3 новой конструкции. Предлэгэемое устройство реализует принцип направленных микрогравиметрических замеров, Оно состоит из чувствительных элементов (ЧЭ), выполненных в виде двух консольно защемленных упругих пластин 4 и 5 прямоугольного поперечного сечения, расположенных длинной стороной параллельно продольной оси устройства (скважины) и под прямым углом друг к другу, Пластины жестко.заделаны в торец массивного цилиндрэ 6, выполненного из материала с низкой акустической жесткостью. Они изготовлены из металла или сплава с высокими упругими свойствами, маломеняющимися под воздействием температуры или электромагнитных полей; элинвэра, ниварокса, бериллиевой бронзы. Под воздействием сил гравитации пластины изгибаются, на их поверхности появляются деформации сжатия и растяжения, что фиксируют тенэорезисторы 7 и 8 наклеенные в центре тяжести пластин вдоль их длины. Провода от тензорезисторов пропущены по центральному осевому каналу 9 (который после сборки герметизируют мастикой) и идут нэ измеритель деформаций, например, типа ИДЦ-1 (на схеме не показан), Нэ торец цилиндра 6

5 с внутренней стороны наворачивается металлический кожух 10, герметически закрывающий ЧЭ и выполняющий роль экрана при попадании устройства в поле электромагнитного излучения. Нэ кожух 10 надева10 ют виброиэолирующие эластичные (резиновые) кольца 11, э на торец кожуха наклеивают резиновуlo бляшку 12, слу>кащие для гашения вибраций устройства и его

ЧЭ при ударах, поворотах или сейсмических

15 колебаниях массива. К внешнему торцу цилиндра 6 крепится доставочнэя штанга 13, посредством которой измерительное уст-ройство вводится в скважину. На противоположном конце штэги; выступающем иэ скважины, имеется приспособление для on20 ределения ориентации устройства в виде поперечной планки 14 и сектора 15 с угловыми делениям, который крепится нэ стенке выработки. Перед тем, как приступить к рэботе, устройство должно быть оттарировэ25 но. Для этого нэ земной поверхности (в районе изостэзии) снимают показания с чув-, ствительных элементов при различной ориентации устройства и определяют базовые значения деформаций, соответствующие

30 различным углам поворота устройства, например, Е 1 (при a= 0 ), Е g )при a=10О), Ез (при а=20 ) и т,д. Базовые значения деформаций соответствуют случаю, когда нэлря>кения горного массива равны нулю.

Техника замеров микроаномэлий сил гравитации в шахтных условия заключается в следующем. Измерительное устройство помещают в скважину. Таких скважин должно

40 быть несколько, их бурят из одного пункта стоянки в горизонтальной и вертикальной плоскостях. Размеры полигона гравиметрических наблюдений выбираются с учетом размеров основных тектонических блоков, 45 определяющих структуру месторождения.

После введения устройства ь сквэжину меняют ориентацию его в скважине и снимают показания деформации с тензорезисторов

8), pz, E3 и т.д„соответствующих тех же yr50 лэм а, при которых были определены базовые значения. Далее по разности я — Д я -8 гз — я, и т,д. определяют прирост деформаций h,å1, h,cz, Лез.. h,ei по одному и по другому ЧЭ. Затем анализируют полученную информацию и определяют ориентацию устройства, при которой по одному ЧЭ было получено максимальное знэчение прироста деформации 6емах а по

1789685 другому — минимальное min.Äaëåå по этому ориентации Ч Э и направлению его отклонения определяют направление градиента гравитационной напряженности массива

grad g. Это достигается за счет учета знака приращения деформации тензорезистора.

Так как он наклеен только на одной стороне пластины, то дополнительный ее изгиб в одну или другую сторону, происходящий вследствие притяжения ЧЭ к очагу повышенного сжатия в массиве, будет вызывать либо сжатие, либо растяжение тензорезистора. По этому знаку приращения деформации и определяют направление градиента гравитационной напряженности массива. Например, если тензорезистор ЧЭ

4 растягивался, то вектор gradg будет направлен вниз (см. фиг.4), Обработка полученных результатов построена на следующих принципах. В каждом пункте измерений выделяется направление максимальной гравитационной аномалии (повышения плотности массива) и определяется величина градиента g.

При этом исходят из того, что прирост деформации тензодатчиков Ы происходит пропорционально величине приращения ускорения силы притя>кения д9, а градиент ускорения силы притяжения равен градиенту сжатия массива или

gradg=grad о,; (2)

ЧЭ представляет собой консольно защемленную пластину, на которую действует . равномерно распределенная нагрузка в виде собственного веса g=mg/I, Пластина под действием этой нагрузки деформируется, Деформации в любой точке пластины определяются выражением е =о/Е .(3)

Напря>кение на поверхности пластины могут быть вычислены по формуле

<"=визг/W, (4) где W — момент сопротивления сечения

„,„г пластины W = Q: Ми г — изгибающий

I момент в точке, где мы измеряем деформацию (в центре тяжести, где наклеен тензоР m I датчик), равен

4 4

Подставляя выражения из (4) в (3) и оперируя приращениями Дя и Де, получаем формулу для определения Дя

Дя=Д, 2ЕЬЬ (5)

Зт!

Далее переходя от приращения гравитационной напряженности к ее градиенту (скорости приращения), получаем исходную форму для вычисления градиента сжатия массива:

grad cJ<® = =

Д я Д ниах 2ЕЬЬ

Et t 3ml (б)

В определенной точке пространства вектор градиента сжатия массива может совпадать с вектором главного нормального напряжения о1. В этом случае ЧЭ устройст10 ва зафиксирует наименьшее значение grad о,ж, Данное положение позволяет произвести локацию опасного очага и уточнить направление действия. cr> Пример реализации этого подхода показан на фиг.б, где приведена вертикальная проекция шахтного поля. В пунктах А, В, С, Д были заложены гравиметрические устройства и определены направления максимального градиента сжатия массива, Далее эти направления экстраполируют(продол>кают в пространстве) и по месту их пересечения (точкэ О) определяют координаты очага повышенного сжатия. Такой подход позволяет выделить район шахтного поля на границе взаимодействия двух тектонических блоков, в пре- . делах которой возможно появление крупного горного удара или техногенного землетрясения, Направление >ке действия главного нормального (максимального сжимающего) напряжения с71 будет перпендйкулярно направлению градиента сжатия массива в точке с наибольшим значением

grad a, . Например, если это точка Д (та, в которой были проделаны ранее описанные замены и вычисления), то ориентация о будет направлена под углом 30 к горизонту, Наблюдения за изменениями гравитационного поля ведут в течении длительного времени, Измерения производятся перио40 дически, например, как в прототипе — раз в месяц. В процессе таких долговременных наблюдений следят за изменениями градиента сжатия массива во времени, сравнивая вычисленные ка>кдый раз значения с пред45 ь дущими. По знаку и величине приращения градиента сжатия массива grad о,® судят об изменениях напряженного состояния. При этом при положительных значениях приращений grad о,>, делают вывод об усилении

50 сжатия и опасности геодинамического явления в массиве, а при отрицательных значениях приращений grad o >K — об уменьшении сжатия и разгрузке массива, Таким образом производится качественный анализ напря>кенного состояния, В принципе возможен. и колйчественный анализ напряженного состояния массива. При достаточно большом обьеме наблюдений и сопоставлении полученных данных с фактическими признаками динамического явления можно устэновлть

17о9665

25

35

55 критериальные значения градиента сжатия и его приращений, свидетельствующих о предельном напряженном состоянии массива и возможности проявления горного удара, землетрясения, интенсивного сдвижения пород.

Положительный эффект от применения предлагаемого способа и устройства обеспечивается следующим. Известно, что геодинамически активный горный массив характеризуется подвижками крупных тектонических блоков по разломам в различных направлениях: горизонтальном, вертикальном, сложном наклонном, Такие подвижки приводят к динамичному изменению напряженного состояния горных пород и, как результат этого, к аномалиям их плотности, Все это проявляется в весьма сложном характере гравитационного поля, которое помимо основной (глобальной) компоненты силы земного притяжения, действующей строго вертикального, имеет ряд микросоставляющих (микроприращений), зависящих от взаиморасположения и взаимодействия тектонических блоков в данном районе массива и имеющих произвольное направление действия. Все известные гравиметрические устройства улавливают только изменения вертикальной составляющей напряженности гравитационного состояния массива. Предлагаемое же устройство в виде консольно защемленных пластин различной ориентации и способ его применения позволяют регистрировать, в принципе, любые составляющие гравитационного поля и следить за их изменениями во времени, Это дает возможность получить более полную, дифференцированную и достоверную информацию об измерениях сил гравитации и напряженном состоянии массива ввиду прям и связи между ними. Появление повышенных сжимающих напряжений приводит к деформациям сжатия и уплотнению пород, а снижение сжимающих напряжений, наоборот, уменьшает деформации сжатия плотность пород. Все эти изменения фиксируются по отклонению изгибающихся пластин ЧЭ в переменном поле сил гравитации.

Хотя и самом произвольном случае пластины ЧЭ испытывают условия косого изгиба, однако тензорезистор ЧЭ реагирует только на одну составляющую вектора g, перпендикулярную плоскости упругой пластины. Вращением же пластины (изменением ориентации устройства в скважине) находятся деформаций, соответствующие случаю, когда вектор g направлен перпендикулярно одной из главных осей жесткости

20 сечения пластины. Тем самым достигается точность замеров, Кроме того, применение различно ориентированных пластин направленного (антенного) действия позволяет не только определять направление градиента сжатия массива (направление, в котором это сжатие усиливается), но и по замерам его в нескольких точках пространства произвести локацию очага повышенного сжатия. Это дополнительно расширяет получаемую информацию о геодинамической активности массива горных пород.

Если сравнивать предлагаемый способ. например, с геодезическим способом получения информации о массиве путем создания крупномасштабного полигона на поверхности Земли и замеров линейных перемещений блоков, то помимо повышения информативности и достоверности контроля за состоянием массива предлагаемый способ дает большой экономический эффект, получаемый в результате значительного сокращения затрат на его осуществление, По сравнению же с геофизическими способами измерений предлагаемый способ также имеет ряд преимуществ как по помехозащищенности, так и в смысле экономии применяемых материалов и трудовых затрат, Все вышесказанное позволяет сделать вывод и получении положительного эффекта при применении предлагаемого изобретения.

Формула изобретения

1, Способ контроля напряженного состояния массива горных пород, включающий периодические гравиметрические измерения на контролируемом участке массива и определение величины гравитационной аномалии, по которой определяют изменение напряженного состояния массива, отличающийся тем, что, с целью повышения информативности контроля, гравиметрические измерения проводят в предварительно пробуренных скважинах с помощью двух пластинчатых чувствительных элементов, установленных во взаимо перпендикулярных плоскостях, изменяют ориентацию элементов в скважине, измеряют изгибные деформации чувствительных элементов их различной ориентацйи, регистрируют максимальную деформацию одного из элементов, фиксируют его ориентацию и по направлению, перпендикулярному плоскости данного элемента, определяют направление градиента сжатия массива, при этом в качестве величины гравитационной аномалии принимают значение градиента сжатия, определяемое по формуле

1789685

grad Gc®=(ЛЕ /Лt) (2Ebh /3ml), где Ля „— максимальное значение приращения деформаций чувствительного элемента; д т — период между проведением измерений;

I, b, h — соответственно длина, ширина, высота пластины чувствительного элемен-

Та, м;

m — масса пластины, кг, 10

Š— модуль упругости материала пластины, МПа, а по знаку приращения градиента сжатия во времени оценивают измерения напряженного состояния массива и его удароопасность, 15

2., Способ по п,1, отличающийся тем, что гравиметрические измерения проводят в нескольких точках с различными пространственными координатами по пересечению направлений градиентов сжатия, 20 полученных в каждой точке, определяют поло>кение очага удароопаснОсти в массиве, а по направлению максимального градиента сжатия устанавливают перпендикулярное ему направление действия максимального 25 сжимающего напря>кения.

3, Устройство для контроля напря>кенного состояния массива горных пород, включающее цилиндрический корпус, два

ЗО пла, инчатых прямоугольных чувствительных элемента, консольно закрепленных на одном торце корпуса, и тензорезисторы, расположенные на поверхности чувствительных элементов, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, оно снабжено досылочной штангой с ориентирующим приспособлением, при этом чувствительные элементы установлены перпендикулярно друг другу, штанга закреплена на другом торце корпуса, а тензорезисторы размещены в центре тя>кести чувствительных элементов, 4, Устройство по п.З, от л и ч а ю щ е ес я тем, что, с целью повышения помехозащищенности, оно снабжено герметичным металлическим кожухом и виброизолирующими эластичными кольцами, при этом кожух установлен на корпусе, чувствительные элементы размещены в кожухе, виброизолирующие эластичные кольца закреплены на кожухе, а корпус выполнен из материала с низкой акустической жесткостью, 5. Устройство по пп,З и 4, о т л и ч ающееся тем, что ориентирующее приспособление выполнено в виде поперечной планки, жестко соединенной со штангой, и сектора с угловыми делениями, установленного на штанге с возможностью свободного вращения, 1789685

1789685

1789685

Составитель А.Стародубцев

Техред M.Ìîðãåíòàë Корректор Н.внучок

Редактор Т.Шагова

Производственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул.Гагарина, 101

Заказ 335 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5