СПОСОБ И ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ КОМПЛЕКС ОПРЕДЕЛЕНИЯ СВОЙСТВ ГОРНЫХ ПОРОД Российский патент 2024 года по МПК E21B47/00 

Изобретение относится к области горного дела, в частности - к способам и устройствам для определения свойств (типа и характеристик) массива горных пород во время ударно-вращательного бурения при строительстве горных выработок [E21B 47/00, E21B 47/12, G01V 1/22, G01V 1/28, G01V 1/306, G01V 2200/00, G01V 2200/16].

Из уровня техники известно УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СВОЙСТВ ГОРНОЙ ПОРОДЫ В ПЛАСТЕ В РЕЖИМЕ РЕАЛЬНОГО ВРЕМЕНИ ВО ВРЕМЯ БУРЕНИЯ [WO 2020097090 (A1), опубл. 14.05.2020], содержащее акустический датчик, установленный в системе циркуляции бурового раствора буровой установки и соединенный с раструбным патрубком, гусиной шеей, или стояком, в котором акустический датчик функционирует для обнаружения акустического сигнала, генерируемого в режиме реального времени в результате вращательного контакта бурового долота с породой во время бурения и передаваемого через буровой раствор; блок сбора данных, связанный с акустическим датчиком и компьютером, в котором блок сбора данных выполнен с возможностью выборки необработанных данных акустического датчика и оцифровки необработанных данных акустического датчика, причем необработанные данные акустического датчика представляют акустический сигнал, генерируемый в режиме реального времени в результате вращательного контакта бурового долота с породы во время бурения; компьютер, связанный с блоком сбора данных и сконфигурированный для выполнения следующих операций: прием оцифрованных данных акустического датчика от блока сбора данных; обработка оцифрованных данных акустического датчика, полученных от блока сбора данных. С применением упомянутого устройства производят обработку, включающую: извлечение множества акустических характеристик из оцифрованных данных акустического датчика, множества акустических характеристик, включающих среднюю частоту и нормализованное отклонение частоты; и сравнение средней частоты и нормализованного отклонения частоты для породы, подвергающейся бурению, со средней частотой и нормализованным отклонением частоты для множества образцов породы, имеющих различные известные литологии; идентификацию литологического типа породы, подвергающейся бурению.

Основными недостатками указанного аналога является необходимость наличия в скважине (шпуре) бурового раствора, что накладывает ограничения на выбор направления бурения, недостаточная точность определения типа и характеристик массива горных пород в связи с изменением свойств бурового раствора в процессе бурения, а также отсутствие возможности выделения типов и характеристик структур малой мощности, например, отдельных локальных трещин или слоя набрызг-бетона, наносимого на призабойную часть и грудь забоя для повышения безопасности ведения подземных горных работ.

Из уровня техники также известно УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОЦЕНКИ СВОЙСТВ ГОРНЫХ ПОРОД ПРИ БУРЕНИИ C ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ АКУСТИЧЕСКИХ ДАТЧИКОВ, УСТАНОВЛЕННЫХ НА БУРОВОЙ УСТАНОВКЕ [US2013080060 (A1), опубл. 28.03.2013], содержащее систему регистрации и передачи акустического сигнала, включающую акустический датчик, подключенный к одному из следующих: приводному валу и продолжению приводного вала бурильной установки, при этом приводной вал соединен с бурильной колонной, включающий в себя множество удлинителей, буровое долото, соединенное со скважинным концом бурильной колонны; и компьютер, связанный с одним или несколькими компонентами системы записи и передачи акустического сигнала, причем компьютер сконфигурирован для выполнения следующих операций: прием сигнала данных акустического датчика от системы записи и передачи акустического сигнала, сигнал данных от акустического датчика, представляющего акустический сигнал, генерируемый акустическим датчиком в режиме реального времени в результате вращательного контакта бурового долота с породой во время бурения, и анализ сигнала данных акустического датчика для определения в режиме реального времени, по меньшей мере, одного из следующих: тип литологии и одно или несколько петрофизических свойств породы, с которыми сталкивается буровое долото во время буровых работ.

Основными недостатками указанного аналога является недостаточная точность определения типа и характеристик массива горных пород, в связи с тем, что аналог применяется на геологоразведочных работах с целью поиска, обнаружения и подготовки к промышленному освоению месторождений полезных ископаемых, где не требуется высокая детализация и выделение структур малой мощности, например отдельных локальных трещин или слоя набрызг-бетона, наносимого на призабойную часть и грудь забоя для повышения безопасности ведения подземных горных работ.

Из уровня техники также известен, принятый в качестве прототипа, СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ОБНАРУЖЕНИЯ ПЛАСТА ВБЛИЗИ ДОЛОТА, ОСНОВАННЫЕ НА ПРОГНОЗИРОВАНИИ ЗВУКОВЫХ ВОЛН ВО ВРЕМЯ БУРЕНИЯ [CN 116378648 (A), опубл. 04.07.2023], включающее этапы получения данных о звуковом давлении и трехкомпонентной вибрации, генерируемых при разрушении породы долотом, регистрируемых наземной геофонной решеткой и датчик вблизи долота; очистка данных о звуковом давлении и трехкомпонентной вибрации, генерируемых при разрушении породы буровым долотом; инверсия осуществляется путем использования сейсмических данных во время бурения для получения геологической структуры вблизи долота и передней части долота; применение интеллектуального алгоритма распознавания голосовых отпечатков породы для суждения о литологии пласта бурового долота при бурении буровым долотом; итеративное обновление информации о геологической структуре и литологии пласта вблизи долота и в передней части долота; вывод фоновой карты геологической структуры ближнего бурового долота и области перед ближним буровым долотом, а также карты распределения литологии пласта с которым сталкиваются при бурении.

Основными проблемами указанного прототипа являются:

недостаточная разрешающая способность, связанная с тем, что прототип применяется на геологоразведочных работах при бурении с земной поверхности скважин глубиной до 500 м и используется для построения геологических карт и разрезов масштабов M 1:500, 1:1000, 1:2000, в то время как на горнопроходческих работах описание геологических структур ведется в масштабе M 1:50, 1:100, что требует более высокой степени детализации и выделения структур малой мощности, например отдельных локальных трещин или слоя набрызг-бетона, наносимого на призабойную часть и грудь забоя, а так же более детального разделения и классификации литотипов по параметру трещиноватости, что является необходимым условием для выбора типа и параметров крепления подземных горных выработок.

Задачей изобретения является устранение недостатков прототипа.

Техническим результатом, на достижение которого направлено предлагаемое изобретение, является обеспечение возможности создания способа и измерительного комплекса для определения свойств горных пород по звуковысотным классам во время ударно-вращательного бурения при строительстве подземных горных выработок, повышающих точность и обеспечивающих возможность определения типов и характеристик структур малой мощности.

Указанный технический результат достигается за счет того, что способ определения свойств горных пород характеризующийся тем, что при его реализации осуществляют размещение сейсмодатчиков на контуре забоя горной выработки, пробное ударно-вращательное бурение массива горных пород с применением самоходной буровой установки, измерение частотных характеристик вибросейсмических сигналов ударно-вращательного бурения и визуальное определение типа и характеристик массива горных пород при пробном бурении, при этом обработку вибросейсмических сигналов и изменений частотных характеристик сигналов производят по звуковысотным классам с формированием во время пробного бурения базы данных множества звуковых высот, отличающихся друг от друга на целое число октав и соответствующих типам горных пород, а определение типа и характеристик массива горных пород осуществляют при последующих бурениях по коэффициентам звуковысотных классов.

В частности, базу данных множества звуковых высот формируют с разделением октав на двенадцать полутонов, в каждом из которых определяют количество энергии каждого высотного класса.

В частности, при пробном бурении используют оптические телевьюверы, позволяющие выполнять сканирование стенок шпура с определением типа и характеристик массива горных пород для формирования базы данных множества звуковых высот.

Измерительный комплекс для определения свойств горных пород, содержащий мобильный переносной регистратор с программным обеспечением и сейсмодатчики, выполненные с возможностью установки на контуре забоя горной выработки, при этом программное обеспечение выполнено с возможностью получения вибросейсмических сигналов от сейсмодатчиков, обработки вибросейсмических сигналов с фиксацией изменений частотных характеристик по звуковысотным классам, машинного обучения с формированием во время пробного ударно-вращательного бурения базы данных множества звуковых высот, отличающихся друг от друга на целое число октав, и определения типа и характеристик массива горных пород по коэффициентам звуковысотных классов во время последующих ударно-вращательных бурений.

В частности, программное обеспечение выполнено с возможностью формирования цветовой карты звуковых высот с отображением на дисплее.

Краткое описание чертежей.

На фиг. 1 представлена блок-схема осуществления заявленного способа.

На фиг. 2 представлена цветовая карта значений коэффициентов высотного класса вибросейсмических измерений горных пород одного типа.

На фиг. 3 представлена цветовая карта значений коэффициентов высотного класса вибросейсмических измерений горных пород различных типов.

На фиг. 4 представлена цветовая карта значений коэффициентов высотного класса вибросейсмических измерений горных пород через слой набрызг-бетона толщиной 3 см.

На фигурах обозначено: 1 - размещение сейсмодатчиков на контуре забоя горной выработки; 2 - пробное ударно-вращательное бурение массива горных пород; 3 - измерение частотных характеристик вибросейсмических сигналов; 4 - формирование базы данных звуковых высот; 5 - определение типа и характеристик массива горных пород при последующих бурениях.

Осуществление изобретения.

Способ определения свойств горных пород характеризуется тем, что при его реализации осуществляют размещение сейсмодатчиков на контуре забоя горной выработки 1, пробное ударно-вращательное бурение массива горных пород 2, измерение частотных характеристик вибросейсмических сигналов 3 ударно-вращательного бурения и формирование базы данных звуковых высот 4 и определение типа и характеристик массива горных пород при последующих бурениях 5.

Размещение сейсмодатчиков на контуре забоя горной выработки 1 осуществляют с возможностью обеспечения измерения сейсмодатчиками частотных характеристик ударно-вращательного бурения. Затем производят пробное ударно-вращательное бурение массива горных пород 2 с использованием самоходной буровой установки. При пробном ударно-вращательном бурении 2 осуществляют измерение частотных характеристик вибросейсмических сигналов 3, возникающих от воздействия долота буровой установки.

Обработку вибросейсмических сигналов и изменений частотных характеристик сигналов производят по звуковысотным классам с формированием во время пробного бурения базы данных множества звуковых высот 4, отличающихся друг от друга на целое число октав и соответствующих типам горных пород в массиве. В ходе определения звуковых высот, сгруппированных по октавному сходству, определяют коэффициенты звуковысотного класса.

Алгоритм определения коэффициентов звуковысотных классов.

Сигнал разбивается на частей равной длины. Длительность каждой части выбирается исходя из требуемой разрешающей способности, причем чем короче интервал, тем больше разрешающая способность. Разбивка сигнала на части выполняется с перекрытием - что значит сигнал содержит в себе часть сигнала и часть сигнала . Величина этого перекрытия может доходить до половины соседнего сигнала, т.е. в частном случае сигнал может быть полностью восстановлен из сигналов и . После разбивки сигнала каждая его часть подвергается преобразованию Фурье, в результате чего получается частотное представление сигнала . Затем полученные данные фильтруются фильтрами разной частоты. Частотные характеристики фильтров выбираются исходя из количества полутонов в октаве. Например, октавы разделяют на 12 полутонов (для анализа сигналов может выбираться произвольное число полутонов) с определением количества энергии каждого высотного класса. В таблице 1 приведен частный пример реализации с разбивкой октавы на 12 полутонов, где нота Ля (обозначение А) в первой октаве имеет частоту 440 Гц, в малой октаве 220 Гц и т.д.

Таблица 1

Октава
Нота Частоты, Гц -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 6 C 16,352 32,703 65,406 130,81 261,63 523,25 1046,5 2093 4186 8372 C# / 17,324 34,648 69,296 138,59 277,18 554,37 1108,7 2217,5 4434,9 8869,8 D 18,354 36,708 73,416 146,83 293,66 587,33 1174,7 2349,3 4698,6 9397,3 D# / 19,445 38,891 77,782 155,56 311,13 622,25 1244,5 2489 4978 9956,1 E 20,602 41,203 82,407 164,81 329,63 659,26 1318,5 2637 5274 10548 F 21,827 43,654 87,307 174,61 349,23 698,46 1396,9 2793,8 5587,7 11175 F# / 23,125 46,249 92,499 185 369,99 739,99 1480 2960 5919,9 11840 G 24,5 48,999 97,999 196 392 783,99 1568 3136 6271,9 12544 G# / 25,957 51,913 103,83 207,65 415,3 830,61 1661,2 3322,4 6644,9 13290 A 27,5 55 110 220 440 880 1760 3520 7040 14080 A# / B 29,135 58,27 116,54 233,08 466,16 932,33 1864,7 3729,3 7458,6 14917 H 30,868 61,735 123,47 246,94 493,88 987,77 1975,5 3951,1 7902,1 15804

Класс высоты тона - набор всех тонов, которые находятся на расстоянии целого ряда октав друг от друга (например, класс высоты тона состоит из во всех октавах и представляет собой набор:

и может быть найден по зависимости: . Аналогичным образом определяются значения набора тонов C, C# / , D, D# / , E, F, F# / , G, G# / , A# / B, H, после чего производится нормализация данных и они отражаются в виде цветовой карты значений коэффициентов звуковысотного класса (см. фиг. 2) или в виде числовых значений (таблица 2).

Таблица 2

Высотный класс Тип пород C C#, D D#, E F F#, G G#, A A#, B 0.634 0.766 0.697 1 0.881 0.836 0.754 0.784 0.844 0.847 0.569 0.660 Тип 1 0.470 0.474 0.611 0.909 0.914 0.559 0.660 0.964 1 0.669 0.702 0.677 Тип 2

При пробном бурении дополнительно используют оптические телевьюверы для сканирования стенок шпура и присвоения коэффициентам звуковысотных классов соответствующего типа горной породы при формировании базы данных множества звуковых высот.

Коэффициенты звуковысотного класса, определенные заранее при пробном бурении для каждого типа горной породы, используют в качестве эталонных примеров при определении типа и характеристик массива горных пород в последующих бурениях 5.

Измерительный комплекс для определения свойств горных пород во время ударно-вращательного бурения содержит мобильный переносной регистратор с программным обеспечением и сейсмодатчики, выполненные с возможностью установки на контуре забоя горной выработки, при этом программное обеспечение выполнено с возможностью получения вибросейсмических сигналов от сейсмодатчиков, обработки вибросейсмических сигналов с фиксацией изменений частотных характеристик по звуковысотным классам, машинного обучения с формированием во время пробного ударно-вращательного бурения базы данных множества звуковых высот, отличающихся друг от друга на целое число октав, и определения типа и характеристик массива горных пород по коэффициентам звуковысотных классов во время последующих ударно-вращательных бурений.

Измерительный комплекс также может оснащаться преобразователем напряжения для работы комплекса и оптического телевьювера от бортовой сети самоходного бурового оборудования (установки).

В состав сейсмодатчиков входят кабельные линии с длиной, обеспечивающей установку сейсмодатчиков в местах проведения измерения.

Измерительный комплекс для определения свойств горных пород во время ударно-вращательного бурения используют следующим образом.

Сейсмодатчики устанавливают на контуре забоя горной выработки и соединяют с использованием кабелей с мобильным переносным регистратором. После чего осуществляют пробное бурение массива горных пород с фиксацией в программном обеспечении мобильного переносного регистратора звуковысотных классов, соответствующих типам горных пород, сгруппированных по октавному сходству. Для определения типов и характеристик горных пород одновременно проводят сканирование шпура оптическими телевьюверами с присвоением коэффициентов звуковысотных классов соответствующим типам и характеристикам горных пород. Характеристиками горной породы помимо ее петрофизических свойств могут быть и трещины, также обладающие уникальным соотношением коэффициентов звуковысотного класса.

После проведения пробного бурения с формированием базы данных множества звуковысотных классов производят последующие бурения с использованием ранее сформированной базы данных эталонных примеров в программном обеспечении мобильного переносного регистратора. При этом тип и характеристики горных пород определяют по коэффициентам звуковысотных классов.

Благодаря возможности определения таких свойств как тип и характеристика массива горных пород во время ударно-вращательного бурения по коэффициентам звуковысотных классов, сформированных заранее (во время пробного бурения) и сгруппированных по октавному сходству повышается точность определения типа и характеристик массива горных пород, а также обеспечивается возможность определения типа и массива горных пород через слой набрызг-бетона.

Примеры реализации предлагаемого изобретения при определении типа и характеристик массива горных пород во время ударно-вращательного бурения.

Пример 1.

В 2023 году проведено определение типа и характеристик массива горных пород одного типа во время ударно-вращательного бурения в соответствии с предлагаемым изобретением. Обработка сигналов и изменений их частотных характеристик производилось по звуковым высотным классам. Анализ обработки сигналов проведен с разложением их на высотные классы в виде цветовой карты (см. фиг. 2). В приведенном сигнале преобладают высотные классы: E (средняя частота 329.628 Гц), D#, (средняя частота 311,127 Гц), D (средняя частота 293,665 Гц). В данном примере приведены результаты бурения по однотипной породе, поэтому изменения в частотных характеристиках сигнала связаны только с наличием неоднородностей на пути бурения, которые встречаются виде ослабляющих трещин.

В ходе проведения контрольного бурения точность прогнозной классификации горных пород нейронной сетью, обученной на эталонных примерах для типа пород №1, составила 89,0%.

Пример 2.

В 2023 году проведено определение типа и характеристик массива горных пород различных типов во время ударно-вращательного бурения в соответствии с предлагаемым способом. Анализ обработки сигналов проведен с разложением их на высотные классы в виде цветовой карты (см. фиг. 3). По цветовой карте звуковых классов было установлено, что, начиная с глубины 40 см на пути бурового инструмента встречаются породы, относящиеся к другому типу, обладающие отличными физико-механическими свойствами, что проявляется в изменении частотных характеристик сигнала.

Тип пород определялся по результатам сканирования стенок шпура специальными скважинными оптическими телевьюверами. Причем подразделение на типы производилось не только по происхождению горных пород, но и по количественным значениям структурной нарушенности (слабо, сильно нарушенные породы и т.д.).

В ходе проведения контрольного бурения точность прогнозной классификации горных пород нейронной сетью, обученной на эталонных примерах для типа пород №2 и 3 составила соответственно 96,7% и 89,4%.

Пример 3.

В 2023 году проведено определение типа и характеристик массива горных пород через слой набрызг-бетона толщиной 3 см во время ударно-вращательного бурения в соответствии с предлагаемым способом. Было установлено, что по цветовой карте коэффициентов высотного класса (см. фиг. 4) первичный слой набрызг-бетона отчетливо просматривается.

В ходе проведения контрольного бурения точность прогнозной классификации горных пород нейронной сетью, обученной на эталонных примерах для набрызг бетона и типа пород №4 составила соответственно 99,8% и 96,9%.

Таким образом, технический результат заявленного изобретения, заключающийся в обеспечении возможности создания способа и измерительного комплекса для определения свойств горных пород по звуковысотным классам во время ударно-вращательного бурения при строительстве подземных горных выработок, повышающих точность определения типа и массива горных пород и обеспечивающих возможность определения типов и характеристик структур малой мощности (например, трещин или слоя набрызг-бетона, наносимого на призабойную часть и грудь забоя) достигается с использованием заявленного изобретения.

Изобретение относится к области горного дела, в частности к способам и устройствам для определения свойств (типа и характеристик) массива горных пород во время ударно-вращательного бурения при строительстве горных выработок. Осуществляют размещение сейсмодатчиков на контуре забоя горной выработки, пробное ударно-вращательное бурение массива горных пород с применением самоходной буровой установки, измерение частотных характеристик вибросейсмических сигналов ударно-вращательного бурения и визуальное определение типа и характеристик массива горных пород при пробном бурении. Обработку вибросейсмических сигналов и изменений частотных характеристик сигналов производят по звуковысотным классам с формированием во время пробного бурения базы данных множества звуковых высот, отличающихся друг от друга на целое число октав и соответствующих типам горных пород. Определение типа и характеристик массива горных пород осуществляют при последующих бурениях по коэффициентам звуковысотных классов. Обеспечивается повышение точности определения типов и характеристик структур малой мощности. 2 н. и 3 з.п. ф-лы, 4 ил., 2 табл., 3 пр.

1. Способ определения свойств горных пород, характеризующийся тем, что при его реализации осуществляют размещение сейсмодатчиков на контуре забоя горной выработки, пробное ударно-вращательное бурение массива горных пород с применением самоходной буровой установки, измерение частотных характеристик вибросейсмических сигналов ударно-вращательного бурения и визуальное определение типа и характеристик массива горных пород при пробном бурении, при этом обработку вибросейсмических сигналов и изменений частотных характеристик сигналов производят по звуковысотным классам с формированием во время пробного бурения базы данных множества звуковых высот, отличающихся друг от друга на целое число октав и соответствующих типам горных пород, а определение типа и характеристик массива горных пород осуществляют при последующих бурениях по коэффициентам звуковысотных классов.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что базу данных множества звуковых высот формируют с разделением октав на двенадцать полутонов, в каждом из которых определяют количество энергии каждого высотного класса.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что при пробном бурении используют оптические телевьюверы, позволяющие выполнять сканирование стенок шпура с определением типа и характеристик массива горных пород для формирования базы данных множества звуковых высот.

4. Измерительный комплекс для определения свойств горных пород, содержащий мобильный переносной регистратор с программным обеспечением и сейсмодатчики, выполненные с возможностью установки на контуре забоя горной выработки, при этом программное обеспечение выполнено с возможностью получения вибросейсмических сигналов от сейсмодатчиков, обработки вибросейсмических сигналов с фиксацией изменений частотных характеристик по звуковысотным классам, машинного обучения с формированием во время пробного ударно-вращательного бурения базы данных множества звуковых высот, отличающихся друг от друга на целое число октав, и определения типа и характеристик массива горных пород по коэффициентам звуковысотных классов во время последующих ударно-вращательных бурений.

5. Измерительный комплекс по п. 4, отличающийся тем, что программное обеспечение выполнено с возможностью формирования цветовой карты звуковых высот с отображением на дисплее.