СПОСОБ РЕГИСТРАЦИИ ЛИНЕЙНЫХ ДЕФОРМАЦИЙ МАССИВА СКАЛЬНЫХ ПОРОД Российский патент 1994 года по МПК G01V1/18 

Изобретение относится к горной геофизике с преимущественным использованием для записи геофизических процессов в условиях действующих горных предприятий при наличии фона техногенных помех.

Известен способ регистрации деформаций массива горных пород с помощью штангового деформографа, содержащего штангу из кварцевого стекла, один конец которой жестко закреплен, а свободный конец, снабженный металлическим наконечником со шлифованной поверхностью, контактирует с индикатором часового типа, на оси которого установлено плоское зеркальце. В деформографе за счет применения оптического рычага достигнута чувствительность по деформациям до 1˙10^-7-5˙10^-8, что на порядок выше чувствительности индикаторов часового типа, которые являются наиболее точными из широко распространенных приборов для регистрации линейных деформаций.

Недостатком этого способа является относительно невысокая чувстительность, не превышающая практически 1˙10^-7, что недостаточно для регистрации микродеформаций пород в скальных массивах.

Другим недостатком является фоторегистрация процессов, которая вызывает необходимость создания специальных затемненных помещений или изолированных горных выработок со специальным режимом, в которых устанавливаются деформографы.

К недостаткам относится также неоперативность получения информации в связи с отработкой фотобумаги и др.

Известны и другие способы измерения расстояний между двумя точками в горных выработках (индикаторными стойками, мерными рулетками, конвергометрами и т. д. ), которые являются менее чувствительными по деформациям.

Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является способ регистрации деформаций с помощью штангового деформографа, используемого в геофизических исследованиях. Деформограф обладает чувствительностью на уровне 10^-9-10^-10 и высокой долговременной стабильностью инструментальных параметров.

Основным элементом деформографа является штанга из кварцевого стекла (труба диаметром от 10 до 100 мм длиной до 100 м с толщиной стенок в несколько миллиметров), один конец которой закреплен на породе с помощью бетонного постамента, а другой конец свободен и движется относительно породы (или постамента) при ее растяжении или сжатии. Штанга прибора поддерживается в горизонтальном положении проволочными подвесами, располагаемыми через 1-2 м по ее длине. Вместо труб могут использоваться кварцевые стержни диаметром 8-20 мм. В качестве регистрирующей системы служит датчик малых перемещений, закрепляемый на свободном конце трубы или стержня, связанный с регистратором линий связи.

Для проведения измерений при помощи деформографов, которые обычно устанавливают группами по 2-3 штуки, необходима проходка дорогостоящих специальных изолированных от внешней атмосферы горных выработок (обычно 2-3 штольни), длиной по 20-100 мм каждая и более, заглубленных не менее, чем на 20 м от поверхности.

Применение длинных штанговых деформографов для регистрации деформаций массива не обеспечивает устойчивой работы аппаратуры в условиях повышенных ударных и вибрационных помех на действующих рудниках при их установке на расстояниях менее 100-500 м от мест интенсивных горных работ, связанных с буровзрывными, транспортными и другими технологическими процессами. В то же время, при установке деформографов на расстояниях более 0,5-1,0 км от зон выемки полезного ископаемого, из данных наблюдений практически выпадает представляющая наибольший интерес информация о наиболее активных деформационных процессах в массиве. Динамические воздействия технологических процессов особенно неблагоприятно сказываются на системе проволочных подвесов штанговых деформографов, что в итоге существенно усложняет не только интерпретацию полученных данных, но также эксплуатацию приборов, и даже ставит под сомнение возможность применения этого способа на рудниках.

Целью изобретения является повышение точности регистрации линейных деформаций массива скальных пород. Способ заключается в размещении в горной выработке штанги из кварцевого стекла с емкостным преобразователем на ее свободном конце, отличается тем, что штанга размещена в буровой скважине, имеет укороченную длину - 1-4 м, ее второй конец жестко закреплен на забое скважины, а упругий подвес осуществляется только в одной точке.

Цель достигается тем, что в принятом за основу высокочувствительном геофизическом деформографе с емкостным датчиком изменяется конструкция и уменьшаются размеры: эталон длины уменьшается до 1-4 м, он помещается в буровую скважину, пробуренную из уже существующей выработки, закрепление эталона производится на забое скважины, а упругий подвес размещается в устье скважины.

Место размещения буровой скважины при этом выбирается в стенке или забое уже существующей горной выработки с таким расчетом, чтобы зона нарушенных пород вблизи контура была минимальной или полностью отсутствовала. Длина скважины должна быть равна 1-4 м и значительно (не менее, чем в 5 раз) превышать глубину распространения зоны нарушенных пород от контура выработки.

Закрепление эталона длины производится только в двух точках - забое и устье скважины.

Применение скважины для размещения эталона длины требует значительно меньших производственных затрат, чем проходка выработки. Кроме того, в небольшом объеме буровой скважины легче создать условия термостатирования, чем в горной выработке. Преимуществом предлагаемого способа размещения и закрепления эталона длины является также возможность его размещения в вертикальном направлении (вертикальной скважине).

Устье скважины закрывается кольцевой пробкой, которая устанавливается вблизи устья, за пределами зоны нарушенных пород. Эталон длины одним концом жестко закреплен на забое скважины, а свободный конец снабжен емкостным датчиком перемещений. Кольцевая пробка может быть выполнена в виде упругого подвеса.

На чертеже представлена схема шахтного деформографа, установленного на руднике "Карнасурт" Ловозерского ГОКа.

Из горной выработки 1 пробурена скважина 2 длиной 3,2 м и диаметром 76 мм, в которой размещается эталон длины в виде штанги 3 кварцевого стекла (труба из кварцевого стекла имеет диаметр 40 мм и толщину стенки 3 мм). Один конец эталона длины зацементирован на забое скважины 4, а другой конец закреплен в устье скважины при помощи упругого подвеса 5 из проволоки, обеспечивающего перемещение эталона только вдоль оси скважины.

К свободному концу эталона длины, выступающему на 0,3 м из устья скважины, жестко прикреплена (приварена через кварцевый стержень) одна пластина емкостного датчика 6 перемещений, две другие обкладки которого укреплены на бетонном постаменте 7.

Для термоизоляции эталона длины в устье скважины установлена кольцевая пробка 8 из термоизоляционного материала (например, из пенопласта) с внутренним диаметром 41 мм, соответствующим внешнему диаметру эталона длины. Термоизоляционная пробка устанавливается за пределами зоны нарушенных пород 9 с некоторым минимальным зазором с эталоном длины, чтобы не препятствовать его продольному перемещению.

Эталон длины оборудуется дистанционным устройством 10 калибровки, создающим приложение известной силы растяжения вдоль оси с помощью калибровочных грузиков, либо электрического сигнала.

Способ регистрации деформаций реализуется следующим образом. При растяжении, либо сжатии массива кварцевая штанга, скрепленная с массивом в забое скважины, вместе с пластиной датчика, приваренной к его концу, перемещается относительно двух других пластин датчика, установленного на постаменте. Изменение расстояния между движущейся и неподвижными пластинами вызывает изменение электрической емкости преобразователя и фиксируется в виде электрического сигнала регистратором 11, с которым датчик соединяется линиями связи. При измерениях регистрируются изменения базы от точки закрепления эталона длины в забое скважины до зазора в емкостном датчике, вызванные деформациями горного массива.

Предлагаемый способ наиболее подходит для горных массивов скального типа, имеющих незначительную раздробленность, в которых упругие деформации, вызываемые естественными и техногенными воздействиями, весьма невелики и исчисляются долями миллиметра. Максимальная чувствительность деформографа, которая необходима в шахтных измерениях, - это уровень силовых воздействий, вызываемых естественными лунно-солнечными приливами. Для широты Кольского полуострова относительные величины приливных деформаций составляют 1˙10^-7-1˙10^-8. Чувствительность шахтного скважинного деформографа с базой 1-4 м составляет 1˙10^-8-1˙10^-9, что позволяет уверенно регистрировать деформации, вызванные лунно-солнечными приливами; к тому же это на 1-2 порядка выше, чем чувствительность описанных выше приборов типа конвергометра.

В условиях скальных массивов с незначительной раздробленностью пород трещинами измерение деформаций массива с помощью длиннобазисных геофизических деформографов длиной 10-100 м не дает преимуществ по сравнению с предлагаемым способом даже в отсутствие техногенных помех, вызываемые лунно-солнечными приливами и техногенными факторами.

Испытания предложенного способа с применением деформографа с базой 3,2 м в течение 1988-90 г. г. на руднике "Карнасурт" Ловозерского ГОКа показали, что он надежно регистрирует те же сигналы, которые регистрируются деформографом с базой 20 м, расположенным в непосредственной близости ( 50 м) от испытываемого скважинного деформографа, не уступая ему ни в чувствительности, ни в стабильности параметров. (56) 1. Авторское свидетельство СССР N 575595, кл. G 01 V 1/18, 1977.

2. Старков В. И. , Ловчиков А. В. , Коломиец А. С. Методика испытаний кварцевых индикаторных деформографов в условиях рудников, ИГД СО АН СССР, Новосибирск, 1980, с. 83-88.

3. Техника контроля напряжений и деформаций в горных породах. Л. : Недра, ЛО, 1978, с. 229.

4. Осика В. И. , Осинская С. В. , Чувиков Г. Б. Кварцевый деформометр КД-Ш. В кн. : "Приборы и методики обработки гравитационных измерений". М. , ИФЗ АН СССР, 1984.

Использование: в горном деле, а именно при геофизических исследованиях в условиях действующих горных предприятий при наличии фона техногенных помех. Сущность изобретения: штангу из кварцевого стекла длиной 1 - 4 м размещают в скважине. Один ее конец жестко закрепляют на забое скважины. Упругий подвес выполняют в виде пробки, установленной у устья скважины с зазором по отношению к штанге. При этом расстояние от устья скважины для размещения пробки выбирают, исходя из размеров зоны естественного сводообразования у горной выработки. Зазор также может быть заполнен смазкой. Деформацию измеряют емкостным преобразователем, установленным вне скважины, на свободном конце штанги. 1 ил. 1 з. п. ф-лы.

1. СПОСОБ РЕГИСТРАЦИИ ЛИНЕЙНЫХ ДЕФОРМАЦИЙ МАССИВА СКАЛЬНЫХ ПОРОД, включающий размещение в горной выработке штанги из кварцевого стекла на упругом подвесе с емкостным преобразователем на ее свободном конце, а также устройства калибровки, и определение линейных деформаций массива по изменению электрической емкости преобразователя, отличающийся тем, что штанга длиной 1 - 4 м размещена в буровой скважине, ее второй конец жестко закреплен на забое скважины, а упругий подвес выполнен в виде кольцевой пробки, установленной с зазором к штанге, и размещен на удалении от устья скважины, выбираемом исходя из условия уменьшения температурных и вибрационных помех, связанных с зоной естественного сводообразования. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что кольцевую пробку устанавливают в скважине за пределами зоны естественного сводообразования, а зазор заполнен смазкой.