Способ контроля напряженного состояния массива горных пород в окрестности выработки Российский патент 2017 года по МПК E21C39/00 

Изобретение относится к горному делу и предназначено для определения пространственного распределения и границ различных зон напряженно-деформированного состояния массива горных пород в окрестности горной выработки.

Известен способ определения напряженного состояния массива горных пород, включающий прозвучивание ультразвуковыми импульсами участков массива, расположенных между параллельными скважинами на разной их глубине, измерение длительности переднего фронта каждого из принятых ультразвуковых импульсов, по относительному изменению которой с глубиной судят о распределении напряжений в окрестностях горной выработки, при этом глубина, на которой отмечен минимум длительности переднего фронта ультразвукового импульса, соответствует максимуму зоны опорного давления [Авторское свидетельство SU 1149010, кл. Е21С 39/00, опубликовано в БИ №13 от 07.04.85 г.].

Недостатком известного способа является его низкая надежность при контроле напряжений в породах с большим затуханием ультразвуковых сигналов, которая не позволяет гарантированно зарегистрировать передний фронт принятых ультразвуковых импульсов, а значит, и измерить длительность их переднего фронта.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является способ контроля напряженного состояния массива горных пород в окрестности выработки, включающий прозвучивание ультразвуковыми сигналами в виде стационарного шума с нулевым средним значением участков массива, расположенных последовательно между параллельными скважинами по их глубине, измерение корреляционных характеристик принятых сигналов, по изменению которых с глубиной судят о напряженном состоянии массива [Авторское свидетельство SU 1452984, кл. Е21С 39/00, опубликовано в БИ №3 от 23.01.89. г].

В указанном способе в качестве измеряемых корреляционных характеристик принятых сигналов используют дисперсию и период автокорреляционной функции, по которым определяют положение максимума зоны опорного давления.

Недостатком известного способа является его низкая информативность, связанная со значительным влиянием контактных условий акустических преобразователей на измеряемые корреляционные характеристики, что не позволяет надежно определить границы отдельных зон, характеризующих пространственное распределение напряжений в окрестности выработки: зоны первичных естественных напряжений, зоны разгрузки напряжений, зоны повышенных напряжений (опорного давления), а также глубину в пределах этой зоны, на которой значение напряжений максимально.

В настоящей заявке решается задача повышения информативности контроля за счет исключения влияния контактных условий преобразователей с массивом и определения границ отдельных зон, характеризующих пространственное распределение напряжений в окрестности выработки, а также положения максимума зоны опорного давления.

Для решения поставленной задачи в способе контроля напряженного состояния массива горных пород в окрестности выработки, включающем прозвучивание ультразвуковыми сигналами в виде стационарного шума с нулевым средним значением участков массива, расположенных последовательно между параллельными скважинами по их глубине, измерение корреляционных характеристик принятых сигналов, по изменению которых с глубиной судят о напряженном состоянии массива, прием ультразвуковых сигналов осуществляют двумя акустическими преобразователями, расположенными симметрично относительно оси основного лепестка диаграммы направленности излучающего акустического преобразователя, на каждом из контролируемых участков измеряют интервалы корреляции и коэффициент R взаимной корреляции сигналов на выходе приемных акустических преобразователей, одновременно увеличивают силу прижима этих преобразователей к стенке скважины до момента, когда возрастание измеряемых интервалов корреляции прекращается, фиксируют значение коэффициента взаимной корреляции после достижения указанного момента времени и строят график его зависимости от глубины участка, по которому судят о границах зон пространственного распределения напряжений в окрестности выработки, при этом глубину, начиная с которой коэффициент взаимной корреляции приобретает постоянно значение R_гp, принимают за границу зоны первичных естественных напряжений, глубины, при которых 0<R<R_гp, принимают за границы зоны разгрузки напряжений, а глубины, при которых R≥R_гр, принимают за границы зоны опорного давления, максимальное значение напряжений в которой соответствует глубине, где значение R максимально.

Предлагаемый способ базируется на следующих физических принципах.

Прохождение любой подземной выработки в массиве горных пород всегда предполагает выемку определенного объема породы, что приводит к изменению первичного напряженного состояния в окрестности выработки. Как следствие, вокруг выработки образуется локальное вторичное поле напряжений. Это поле, которое изменяется по мере удаления от контура выработки, зависит от уровня и характера первичных естественных напряжений, физико-механических свойств и структурных особенностей горных пород, в которых пройдена выработка, геометрии и объема последней. В области влияния выработки, начиная от ее контура, последовательно чередуются следующие зоны, отличающиеся уровнем действующих напряжений. Непосредственно у контура выработки имеет место зона повышенной нарушенности (трещиноватости), которая обусловлена техногенными (например, взрывными) воздействиями, связанными с проходкой выработки, а также смещениями ее стенок под влиянием сил горного давления. Все это приводит к тому, что указанная зона повышенной нарушенности уже не может выполнять функции несущего конструктивного элемента. Эта зона, называемая зоной разгрузки, характеризуется тем, что в ее пределах порода испытывает меньшие напряжения, чем существующие до проведения выработки.

Зона разгрузки граничит с зоной повышенных напряжений или, как ее еще называют, зоной опорного давления. В этой зоне напряжения превышают уровень первоначального поля напряжений. Указанный уровень определяет переход от зоны повышенных напряжений к зоне первичных естественных напряжений, в пределах которой влияние выработки на напряженное состояние отсутствует.

Возможность выявления указанных зон ультразвуковыми методами базируется на том факте, что под влиянием сил горного давления в каждой из них, кроме зоны естественных напряжений, превалируют либо процессы разрушения и дезинтеграции горных пород (в зоне разгрузки), либо процессы их уплотнения и консолидации (в зоне опорного давления). В результате каждая из зон характеризуется своей степенью структурной поврежденности и однородности, которые отражаются на информативных параметрах ультразвукового контроля.

Как показывает проведенное авторами компьютерное моделирование и экспериментальные исследования, в наибольшей степени к изменениям поврежденности и степени однородности исследуемых участков, а значит, и их напряженно-деформированного состояния чувствителен коэффициент R взаимной корреляции двух шумовых ультразвуковых сигналов при условии, что они излучаются одним источником (излучающим акустическим преобразователем) и, кроме того, на них не влияют никакие декоррелирующие факторы, кроме связанных с действующими напряжениями, поврежденностью и однородностью горных пород. К таким факторам относятся, прежде всего, различие в базах прозвучивания между излучающим преобразователем и каждым из двух приемных преобразователей, а также различие контактных условий последних с массивом. Однако предлагаемая схема контроля обеспечивает равенство двух указанных баз контроля. Кроме того, предлагаемым способом предусмотрена операция увеличения силы прижима приемных преобразователей к стенке скважины до момента, когда прекращается изменение интервалов корреляции сигналов на их выходе. Это обеспечивает практически равные контактные условия указанных преобразователей, а значит, минимальное влияние этих условий на измеряемый коэффициент взаимной корреляции R.

Сказанное свидетельствует о наличии необходимых физических предпосылок для достижения предлагаемым способом поставленной задачи.

Способ контроля напряженного состояния массива горных пород иллюстрируется фиг. 1, фиг. 2 и фиг. 3, где на фиг. 1 представлена схема реализации способа, на фиг. 2 - зависимости интервалов τ_ик принятых приемными акустическими преобразователями ультразвуковых сигналов от величин давления Р прижима этих преобразователей к стенке скважины, а на фиг. 3 - зависимость коэффициента R взаимной корреляции ультразвуковых сигналов на выходе приемных акустических преобразователей в функции от расстояния l центральной точки между ними (вдоль конкретной скважины) от контура выработки.

Схема, представленная на фиг. 1, включает: горную выработку 1 и пробуренные в ее стенке параллельные измерительные скважины 2 и 3; первый скважинный зонд 4 с размещенным в нем излучающим акустическим преобразователем 5, снабженным прижимной пневмосистемой 6, которая запитывается от пневмокомпрессора 7; излучающий акустический преобразователь 5, ось 8 основного лепестка диаграммы направленности которого ортогональна оси скважины 3, подключен к электрическому генератору 9 стационарного шума со средним равным нулю; второй скважинный зонд 10, размещенный в измерительной скважине 3 и содержащий симметрично расположенные относительно оси 8 основного лепестка диаграммы направленности излучающего преобразователя 5 первый приемный акустический преобразователь 11 и второй приемный акустический преобразователь 12. Первый приемный преобразователь 11 снабжен прижимной пневмосистемой 13, а второй приемный преобразователь - прижимной пневмосистемой 14, которые запитываются от пневмокомпрессора 7. Первый приемный акустический преобразователь 11 и второй приемный акустический преобразователь 12 подключены к соответствующим входам корреляционного анализатора 15.

Кривая 16 на фиг. 2 отражает зависимость интервала τ_ик корреляции сигнала на выходе первого приемного акустического преобразователя 11 от прижимного давления Р на него, а кривая 17 - зависимость интервала τ_ик корреляции сигнала на выходе второго приемного акустического преобразователя 12 от прижимного давления Р на этот преобразователь.

Кривая 18 на фиг. 3 отражает зависимость коэффициента R взаимной корреляции ультразвуковых сигналов на выходе приемных акустических преобразователей 11 и 12 в функции от расстояния l между контуром выработки 1 и глубиной расположения излучающего акустического преобразователя 5 в скважине 2.

Способ контроля напряженного состояния массива горных пород в окрестности горной выработки реализуется следующим способом.

В стенке выработки 1 бурят первую измерительную скважину 2 и параллельно ей - вторую измерительную скважину 3. В скважине 2 вблизи ее устья размещают акустический зонд 4 с излучающим акустическим преобразователем 5, а в скважине 3 - акустический зонд 10 с приемными акустическими преобразователями 11 и 12. При этом излучающий акустический преобразователь 5 ориентируют так, чтобы ось 8 основного лепестка его диаграммы направленности была ортогональна оси скважины 3, а приемные акустические преобразователи 11 и 12 располагают симметрично относительно оси 8 основного лепестка диаграммы направленности излучающего акустического преобразователя 5.

Прижимные пневмосистемы 6, 13 и 14 подают избыточное давление воздуха от пневмокомпрессора 7 и, тем самым, обеспечивают надежные контактные условия излучающего акустического преобразователя 5 со стенкой скважины 2, а также приемных акустических преобразователей 11 и 12 - со стенкой скважины 3.

Излучающий акустический преобразователь 5 возбуждают шумовым стационарным электрическим сигналом со средним равным нулю от электрического генератора 9. Шумовые акустические сигналы, прошедшие исследуемые базы контроля, принимают приемными акустическими преобразователями 11 и 12 с резонансной частотой ƒ₀ и полосой частот Δƒ≈0,1ƒ₀.

Электрические шумовые акустические сигналы с выходов приемных акустических преобразователей 11 и 12 подают на соответствующие входы корреляционного анализатора 15, с помощью которого измеряют интервалы корреляции τ_ик каждого из указанных сигналов и их коэффициент R взаимной корреляции. Одновременно с этими измерениями увеличивают силу прижима приемных акустических преобразователей 11 и 12 к стенкам скважины 3, повышая давление воздуха в прижимных пневмосистемах 13 и 14 с помощью пневмокомпрессора 7. Следствием этого будет улучшение контактных условий на границе акустических преобразователей 11 и 12 со стенкой скважины 3, приводящее к уменьшению декорреляции соответствующих шумовых акустических сигналов, а значит, и увеличению интервалов корреляций τ_ик 16 и 17. В момент достижения давлением Р в прижимных системах 11 и 12 некоторого уровня Р* указанные выше контактные условия стабилизируются, о чем будет свидетельствовать прекращение роста измеряемых интервалов 16 корреляции τ_ик сигнала с выхода приемного акустического преобразователя 11 и интервала 17 корреляции τ_ик сигнала с выхода приемного акустического преобразователя 12. После достижения момента времени, когда Р=Р*, а зависимости τ_ик=ƒ(Р) 16 и 17 прекращают свое увеличение, фиксируют измеренный корреляционным анализатором 15 коэффициент R взаимной корреляции на ближайшем к контуру выработки 1 участке. Далее, с помощью пневмокомпрессора 7 снижают давление в прижимных пневмосистемах 6, 13, 14 до нуля и с помощью штанг (на фиг. 1 условно не показаны) синхронно перемещают первый скважинный зонд 4 и второй скважинный зонд 10 вглубь массива с шагом Δl, например на 15 см. При этом на каждом шаге l_i проводят все упомянутые выше операции, получают значения R_i=ƒ(l_i), по совокупности которых строят график 18 R=ƒ(l), по которому судят о пространственном распределении напряжений в окрестности выработки 1. Для этого на графике 18 выделяют глубину l₃, начиная с которой R_гp≈const, и эту глубину принимают за нижнюю границу первичных естественных напряжений. Глубины l₁ и l₃ (см. фиг. 3), в пределах которых R>R_гp, принимают соответственно за нижнюю и верхнюю границы зоны опорного давления. Максимальное значение напряжений в этой зоне находится на глубине l₂, на которой имеет место максимум R_max графика 18. Глубины от 0 до l₁, для которых 0<R<R_гp, принимают за границы зоны разгрузки напряжений.

Способ контроля напряженного состояния массива горных пород предназначен для определения пространственного распределения напряжений в окрестности горной выработки и глубины максимума зоны опорного давления. Для этого осуществляют прозвучивание ультразвуковыми стационарными шумовыми сигналами со средним равным нулю участков массива, расположенных между параллельными скважинами по их глубине. Прием ультразвуковых сигналов осуществляют двумя акустическими преобразователями, которые на каждом из прозвучиваемых участков располагают симметрично относительно оси основного лепестка диаграммы направленности излучаемого акустического преобразователя. Измеряют интервалы корреляции и коэффициент взаимной корреляции сигналов с выходов приемных преобразователей, увеличивая силу их прижима к стенке скважины до момента прекращения возрастания измеренных интервалов корреляции. Фиксируют значения измеренного коэффициента взаимной корреляции после достижения указанного момента на каждом участке и строят график зависимости этого коэффициента от глубины. Глубину, начиная с которой коэффициент взаимной корреляции приобретает постоянное значение, принимают за границы зоны опорного давления, а глубину, начиная с которой коэффициент взаимной корреляции меньше указанного значения, принимают за границу зоны разгрузки напряжений. Глубина, на которой имеет место максимальное значение коэффициента взаимной корреляции, соответствует максимуму напряжений в зоне опорного давления. 3 ил.

Способ контроля напряженного состояния массива горных пород в окрестности горной выработки, включающий прозвучивание ультразвуковыми сигналами в виде стационарного шума с нулевым средним значением контролируемых участков массива, расположенных последовательно между параллельными скважинами по их глубине, измерение корреляционных характеристик принятых сигналов, по изменению которых с глубиной судят о напряженном состоянии массива, отличающийся тем, что прием ультразвуковых сигналов осуществляют двумя акустическими преобразователями, расположенными симметрично относительно оси основного лепестка диаграммы направленности излучающего акустического преобразователя, на каждом из контролируемых участков измеряют интервалы корреляции и коэффициент R взаимной корреляции сигналов на выходе приемных акустических преобразователей, одновременно увеличивают силу прижима этих преобразователей к стенке скважины до момента, когда возрастание измеряемых интервалов корреляции прекращается, фиксируют значение коэффициента взаимной корреляции после достижения указанного момента времени и строят график его зависимости от глубины участка, по которому судят о пространственном распределении напряжений в окрестности выработки, при этом глубину, начиная с которой коэффициент взаимной корреляции приобретает постоянное значение R_гp, принимают за границу зоны первичных естественных напряжений, глубины, при которых 0<R<R_гр, принимают за границы зоны разгрузки напряжений, а глубины, при которых R≥R_гр, принимают за границы зоны опорного давления, максимальное значение напряжений в которой соответствует глубине, где значение R максимально.