Способ контроля напряженно-деформированного состояния массива горных пород

Способ контроля напряженно-деформированного состояния массива горных пород

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

Использование: контроль состояния массива горных пород. Сущность изобретения: режимные наблюдения кажущегося сопротивления с помощью стационарной системы электродов, используемых параллельно для режимных наблюдений величины горизонтальных и вертикальных сдвижений земной поверхности. 7 ил.

союз советских

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (51)5 G 01 V 3/00

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ

К ПАТЕНТУ

О

О 3 (21) 4778891/25 (22) 05.01.90 (46) 23.01.93, Бюл. ¹ 3 (71) Украинский филиал Всесоюзного научно-исследовательского института горной геомеханики и маркшейдерского дела (72) Н,Я.Азаров, B.М.Шахнова, Н.Н.Киселев и В.Л.Шкуратник (73) Украинский государственный научноисследовательский и проектно-конструкторский институт горной геологии, геомеханики и маркшейдерского дела (56) Авторское свидетельство СССР

N 1000980, кл. G 01 V 3/02, 1981.

Авторское свидетельство СССР

¹421773,,кл. Е 21 С 39/00, 1974.

Изобретение относится к геофизике, а именно к геоэлектроразведке и предназначено для осуществления электрометрического контроля состояния деформирования земной поверхности при ведении горных работ.

Известны электрометрические способы определения изменения напряженного состояния горного массива, включающие бурение скважин, ввод питающих электродов в каждую скважину, измерение электрического тока пород в скважинах, пройденных в исследуемом массиве, и сравнение его с аналогичным током неизменного массива.

Недостатком известных способов является высокзя стоимость проведения работ и ограниченная возможность применения в условиях города, связанная с наличием значительного объема буровых работ, а также невозможность выделения зон проявления

„„. Ж„„1790772 АЗ (54) СПОСОБ КОНТРОЛЯ НАПРЯЖЕННОДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ

МАССИВА ГОРНЫХ ПОРОД (57) Использование; контроль состояния массива горных пород, Сущность изобретения: режимные наблюдения кажущегося сопротивления с помощью стационарной системы электродов, используемых параллельно для режимных наблюдений величины горизонтальных и вертикальных сдвижений земной поверхности. 7 ил. сосредоточенных деформаций в силу неоднозначности связи "напряженное состояние — деформации".

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является способ определения изменения напряженного состояния горного массива в упругом режиме, основанный на изменении электропроводности горных пород, при этом оценку эффективного электрического сопротивления массива производят без нарушения его сплошности. Для этого создают электрическое поле так называемых точечных источников (питающих электродов), через которые пропускают электрический ток.

При помощи измерительных электродов, подключенных к измерительному прибору, измеряют разность потенциалов Л0 между точками на профиле, где установлены эти электроды. Электроды выполнены в виде стальных стержней диаметром 1,5 — 2 см и

1790772 длиной 0,5 — 1 м, которые заземляют в верхний слой земли на глубину до 20 см, Однако точность измерений по этому способу недостаточна из-за неидентичности расположения электродов при повторных измерениях; кроме того невозможно выделение деформируемых участков и учета реальной опасности уступообразования изза неоднозначности связи "напряженное состояние — деформаций" и несовершенства системы расчета напряжейного состояния по электричеСкому collðoòèaëåíèþ на основе сопоставительных графиков, не учитывающих индивидуальные особенности . массива.

При изучении физико-механических процессов, протекающих в породных массивах, при подработке целесообразно исследовать конкретно деформации, а не напряженное состояние, так как состояние породных массивов определяется не столько режимом действующих напряжений, сколько режимов взаимовлияющих деформацийй.

Целью изобретения является повыше- 25 ние достоверности контроля.

Сущность способа заключается в том, что при выделении зон коррелирования изменения поверхностных сдвижений и параметров электрического поля (кажущегося сопротивления и анизотропии) выделяются только деформируемые зоны, а отклонения от нормального закона распределения относительно отклонений параметра электрического поля от его значения в массиве до 35 подработки, ввиду чувствительности кажущегося сопротивления к изменению напряженно-деформированного состояния и влиянию более глубоких горизонтов, позволяют прогнозировать возникновения опас- 40 ных деформациИ на ранней стадии до их проявления на поверхности земли, Использование для измерения стационарной электрометрической установки, а также электродов в качестве реперов для измере- 45 ния сдвижений позволяет устранить погрешности, связанные с неидентичностью повторного размещения электродов, а также погрешности, связанные с определением расстояний между электродами и изменением этих расстояний в результате деформаций.

Массив горных пород в условиях естественного состояния характеризуется крайне дискретным распределением потенциаль- 55 ной энергии. Введение очистных работ вызывает энергетическое перераспределение, которое тем больше, чем интенсивнее и сложнее было напряженно-деформированное состояние естественного массива, а это ведет к изменению течения естественных деформационных процессов, В основе предлагаемого способа лежит концепция концентрации деформаций при условии направленного непрерывного накопления упругой энергии в ослабленных зонах, что в ряде случаев приводит к уступообразованию. В процессе подвигания забоя лавы наблюдаются динамические деформации, периодически меняющие знак (от растяжения к сжатию и наоборот). Это приводит к раскрытию трещин растяжения или закрытию внутренних, ранее существовавших микро- и макротрещин, деформированию минерального скелета, изменению гидроситуации, что влечет за собой, с одной стороны, вариации электрического поля в широких пределах, а с другой — смещение элементов массива в сторону неизмененных пород и в сторону выработанного пространства, Объясняется это тем, что при изменении напряженно-деформированного состояния пород сдвижение идет по схеме: упругое смещение частиц - развитие микродеформаций в ослабленных зонах с образованием микротрещин — формирование макротрещин (сопровождаемое сдвигом) - разрушение части агрегатов с переориентировкой структурных элементов.

При исследовании массива горных пород известными электрометрическими методами контроля можно оценить распределение напряжения в массиве вообще, но при этом невозможно судить о возникновении сосредоточенных деформаций, так как не всякая концентрация напряжения в массиве ведет к возникновению опасных деформаций земной поверхности.

На фиг. 1 показана схема стационарной электрической установки: с измерителем 1, переключающим устройством 2, генератором тока 3, переключающим устройством 4 и системой электродов; на фиг. 2 — связь деформаций массива с изменением проводимости и анизотропии горных пород подрабатываемого массива; на фиг. 3 — 6 вариационные кривые изменения относительных отклонений удельных электрических сопротивлений и деформаций от их средних значений; на фиг. 7 — условные обозначения к фиг, 3 — 6, а именно; А — вариационные кривые изменения деформаций; Б — то же, для удельного электрического сопротивления;  — область допустимых случайных отклонений при количественной интерпретации.

Способ осуществляют следующим образом.

На участках, имеющих ослабленные зоны, в предполагаемой мульде сдвижения Ro

1790772

ff=Vff Г,+1

Рз() — К !

PS(r;+1) = K - М2Л 2, Р2 (Г;) = К профильным линиям, расположенных по простиранию и вкрест простирания угольного пласта закладывают стационарные электроды предлагаемой конструкции.

Электрод состоит из пустотелого металлического цилиндра, во внутренней полости которого проложен изолированный проводник, при этом нижний конец его имеет токопроводящий элемент, Контакт с исследуемой средой осуществляется через металлический наконечник с нержавеющим покрытием, что обеспечивает поле точечного диполя. Подключение источника тока осуществляют через однополюсный штекерный разъем, Диэлектрические (полиэтиленовые) втулки устраняют распределение электрического потенциала по всей длине электрода, Для выполнения инструментальных наблюдений предусматривается защитная крышка с прорезью, Закладку электродов осуществляют следующим образом, Буром, имеющим диаметр на 3-5 мм меньше диаметра электрода, бурится скважина глубиной, соответствующей длине металлического корпуса электрода (в Донбассе до 1 м), Проводится плановая и высотная привяз1:а электродов. Затем проводят первую серию инструментальных наблюдений, которая включает нивелирование и линейноугловую триангуляцию III класса, Электрометрическая установка состоит из питающего диполя АВ, расположенного в центре, и двух осевых диполей М1М2, N1N2, расположенных по обестороны отАВ.

При каждой расстановке электродов выполняют 4 измерения напряжения ЛОмщ1, .Т., - .* . AJ$2N2 + UM1M2 ЛОИ1к2 и Одно измеРе нйе силы тока в линии АВ. По результатам измерений вычисляют значения кажущегоq ся сопротивления (KC) для установки Шлюм берже: и для Осевой дипольной установки;

;Ф" (г,) К ч1

1 где К вЂ” геометрический коэффициент для соответственных установок, 10

IM1N1I МЛг!

rj 2 г(+1 2

Путем переключения увеличивают расстояние между питающими и приемными электродами, при каждой следующей расстановке электроды M1N1занимают предыдущие положения электродов M2N2, Таким образом, имеют два значения для разных АВ.

При каждом разносе крестообразной установки КСДЭЗ определяют значение коэффициента анизотропии для различных глубин, При этом значения коэффициента условно относят к глубине, равной 1/4 разноса.

Это позволяет при площадных электрометрических измерениях проводить картирование различающихся jlo сопротивлениям пород горного массива как по площади, так и по глубине.

Вышеописанные операции проводят до подработки угольного пласта с целью определения механических и электрических параметров в естественном состоянии. B процессе отработки угольного пласта производят серии измерений, цикличность которых определяют горно-геологическими условиями (скорость подвигания очистного забоя, способ крепления, глубина залегания угольного пласта, наличие тектонических нарушений и др.).

Режимные измерения осуществляют в процессе отработки лавы до окончания активной стадии процесса сдвижения.

В результате измерений получают механические и соответствующие им электрометрические характеристики массива в различных стадиях процесса сдвижения, Геомеханическая интерпретация данных режимных электрометрических наблюдений проводится на основе корреляции временных изменений параметров электрического поля, а именно кажущегося удельного сопротивления р и коэффициента анизотропии А, с соответствующими измерениями параметров механических характеристик среды, а именно величины вертикальных сдвижений земной поверхности ц(мм) и величины горизонтальных сдвижений е (мм) — проекции главного вектора сдвижения на горизонтальную и вертикальную оси соответственно, Фиксируя все изменения в положении а . электродов систематическая инструментальными наблюдениями и вариации элект1790772 рического поля в процессе подвигания очистного забоя, строят карты зон растяжения и сжатия в мульде сдвижения, пониженной и повышенной активности деформационного процесса, Получают зависимость величины электрического сопротивления от величины деформирования массива, по которой определяют стадию процесса сдвижения до аномального его проявления.

В результате устанавливаются закономерности изменения состояния и свойств подрабатываемого массива в пространстве и во времени, определяющие характер деформационного процесса, Изменения электросопротивления между периодами измерений колеблются в широких пределах и полностью отображают характер деформационных процессов, происходящих в напряженном массиве под влиянием сил сжатия и растяжения. Наиболее тесная корреляционная связь деформаций интервалов с изменениями электросопротивления с коэффициентом корреляции более

0,8 проявляется в подработанном массиве, где преобладают растягивающие напряжения, При сжатии вследствие большей чувствительности электрической анизотропии к процессам трещинообразования, связанным с разрушением породного массива, связь деформаций с изменением электросопротивления не столь явна, однако это обстоятельство не мешает правильной трактовке вариаций электросопротивления во времени. С целью объективного выявления закономерных изменений геоэлектрических параметров пород во времени строятся вариационные кривые изменения относительных отклонений удельных электрических сопротивлений и деформаций от их средних значений.

Как видно из фиг. 3, для "невозмущенных" циклов наблюдения характерно близкое к нормальному распределение относительных отклонений от средних значений р и а . Изменения геоэлектрических параметров в начальной стадии отработки угольного пласта не выделяются на фоне случайных ошибок интерпретации, Нормальный закон распределения отклонений от среднего нарушается в момент зарождения опасных деформаций. Наблюдающиеся сочетания экстремумов на вариационных кривых указывают на накопление массивом энергии упругих деформаций, что позволяет осуществить прогноз возникновения опасных деформаций на ранней стадии до того, как это может быть зафиксировано визуальными наблюдениями.

Таким образом, осуществление контроля предлагаемым способом достаточно надежно описывает геомеханическое

55 состояние напряженного массива, а скорость изменения электросопротивления позволяет осуществлять прогноз сосредоточенных деформаций.

При этом критериями прогноза являются уровень электросопротивления по всей профильной линии, показатели уплотненности, а следовательно, и способности массива к накоплению энергии упругих деформаций.

Предлагаемый способ, в отличии от прототипа, позволяет значительно повысить достоверность прогноза опасных деформационных явлений на ранней стадии их зарождения путем измерения с единой стационарной установки ряда характеристик, отражающих изменения различных параметров среды (электрических, механических), полученных на одном и том же масштабном уровне и в полностью идентичных условиях состояния исследуемой среды, Кроме того, анализ полученных параметров позволяет оценить не только качественн ые показатели протекающих процессов, но и количественные, Применение предлагаемой стационарной установки позволяет упростить технологию исследования, так как режимные измерения не требуют механического перемещения электродов по профилю, что обусловливает высокую точность снятия параметра.

Формула изобретения

Способ контроля напряженно-деформированного состояния массива горных пород, включающий возбуждение электрического поля в исследуемом массиве при помощи двух питающих электродов и измерение разностей потенциалов парами измерительных электродов, сравнение их с тарированными значениями параметров поля и суждение о напряженно-деформированном состоянии по результатам сравнения, отличающийся тем, что, с целью повышения достоверности контроля, одновременно в каждой точке измерения параметров электрического поля определяют величины горизонтальных и вертикальных сдвижений земной поверхности, выявляют участки массива с коррелированными изменениями параметров электрического поля и сдвижений, о возникновении опасных деформаций судят по отклонению от нормального закона распределения временных изменений параметров электрического поля, при этом измерения проводят стационарной электрометрической установкой, электроды которой используют в качестве реперов для измерения сдвижений, а в качестве тарированных значений используют параметры электрического поля массива до подработки.

1790772

Х йЬг.2

1790772

4/я, / л/»»/»

0.4 Р,Ф М k8 и 0 юФ Щ

© ю/Ф 4uz4

n/ó о.е os о а ау аг а4 О а4 аг

AK2 s рЯД

<иа. 7

45

Составитель В,Шахнова

Техред M.Ìoðãåíòàë Корректор T,Bàøêoâè÷

Редактор Г,Бельская

Заказ 375 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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

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