Способ контроля напряженного состояния горного массива Советский патент 1984 года по МПК E21C39/00 

Изобретение относится к горному делу и предназначено для выявления наиболее напряжеиньк участков масси ва пород вокруг горных выработок и определения направления действия главных компонент тензора напряжени Известен способ контроля напряженного состояния горного массива, основанный на измерении вертикально составляющей напряженности естестве ного электромагнитного поля вокруг выработки при перемещении вдоль скважины, пробуренной из вьфаботки, приемной магнитной антенны и сравне нии полученных значений с величиной вертикальной составляющей, полученной в нетронутом массиве вне зоны влияния выработки Недостатками этого способа являются высокая трудоемкость работ, св занных с бурением скважин и ограниченная область исследования. Известен способ контроля напряже ного состояния горного массива, основанный на измерении магнитной сос тавляющей естественного электромагнитного поля вокруг выработки при перемещении измерителя с приемной антенной вдоль выработки, определен уровня нормального поля в выработке и выделении участков массива, в кот рых величина магнитной составляющей превьшает уровень нормального поля, при этом наиболее напряженными считают участки, где амплитуда магнитной составляющей достигает максимал ных значений 1121. Недостатками данного способа являются низкая точность измерений, связанная с воздействием промышленн помех, и недостаточная информативность, обусловленная невозможностью определения направления действия главных компонент тензора напряжени Цель изобретения - повьппение точ ности и информативности измерений. Указанная цель достигается тем, что согласно способу контроля напря женного состояния горного массива, основанному на измерении магнитной составляющей естественного электромагнитного поля вокруг выработки пр перемещении измерителя с приемной антенной вдоль выработок, определении уровня нормального поля в выработке и выделении участков массива, в которых величина магнитной составляющей превышает уровень нормального поля, при этом наиболее на 0 ряженными считают те участки, где амплитуда магнитной составляющей достигает максимальных значений, магнитный момент антенны ориентируют параллельно оси выработки и производят измерения амплитуды горизонтальной (Н.) магнитной составляющей естественного электромагнитного поля, затем в наиболее напряженных участках ориентируют магнитньй момент антенны перпендикулярно оси выработки и поворачивают его вокруг этой оси на угол, при котором регистрируют максимальную амплитуду поперечной составляющей напряженности магнитного поля () и этот угол (Ao,c принимают за направление на наиболее напряженньй участок контура выработки, а за направление действия главной компоненты тензора напряжений вданной выработке принимают угол (...и ) при котором регистрируют минимальное значение поперечной составляющей напряженности магнитного поля (Htf). Кроме того, измерения проводят на ряде фиксированных частот, выбирают частоту, на которой для данного типа пород регистрируют максимальлую полную амплитуду магнитной составляющей и дальнейшие измерения проводят на этой частоте. С целью уточнения направления действия главных -компонент тензора в массиве пород измерения проводят в двух ортогональных выработках, пройденных в однотипных породах, измеряют в каждой из них направления действия главных компонент тензора напряжений и Ч и значения соответс.твуюпи1х им амплитуд .MHH и K fzMHH и определяют азимут полного плоского тензора напряжений по формуле Н,, cos,,, л л1 41 мин41I WH , . Н ZI«MH ч 2 мин где А g азимут оси первой выработки. Фиг. 1-3 поясняют сущность предлагаемого способа. На фиг, 1 поясняется проведение измерений горизонтальной составляющей напряженности магнитного поля и приняты следующие обозначения: 1 приемная магнитная антенна 2 - измеритель напряженности магнитного поля; ПК1, ПК2 и ПКЗ - пикеты в выработке, где производят измерение напряженности высокочастотного естественного электромагнитного поля; Н - горизонтальная магнитная составляющая напряженности электромагнитного поля вдоль оси X, параллель ной оси вьфаботки, Н i - поперечная магнитная составляющая напряженности электромагнитного поля в плоскости, ортогональной оси Х; уровень напряженности нормального магнитного поля в выработке. На фиг. 2 поясняется проведение измерений поперечной магнитной составляющей напряженности электромагнитного поля приняты следующие обозначения: / и Н д - соответственно угол поворота магнитной антенны и значение соответствующей этому углу амплитуды поперечной магнитной составляющей напряженности электромагнитного ПОЛЯ, Ч и Чд,, - соответственно углы поворота антенны до получения максимального Hi/ и минимального Н значений амплитуды поперечной магнитной составляющей напряженности электромагнитного поля 6 - направление действия главных компонент тензора напряжений в плоскости вращения магнитной антенны. На фиг. 3 поясняется определение азимута полного плоского тензора напряжений Ад и приняты следующие обозначения: А-А и Б-Б - сечения, в которых производят измерение поперечной магнитной составляющей электромагнитного поля Ag, А в2 азимуты выработок, в которых производят измерения поперечной магнитной составляющей напряженности электромагнитного поля относительно направления Север - Юг, Ht и Н соответственно максимальное и минимальное значения амплитуды поперечной магнитной составляющей напряженности электромагнитного поля в сечении А-А, Ч - УГОЛ поворота при 1минf г емной магнитной антенны до получения минимального значения амплитуды поперечной магнитной составляющей напряженности электромагнит ного поля в сечении А-А, Н HI.COS проекция на горизонтальную плоскость минимального значения амплитуды попоперечной магнитной составляющей напряженности электромагнитного поля в сечении А-А, Цгмин соответственно максимальные и минимальные значения амплитуды поперечной магнитной составляюп1ей напряженности электромагнитного поля в сечении Б-Б; Уол поворота приемной магнитной антенны до получения минимального значения амплитуды поперечной магнитной составляющей напряженности электромагнитного поля в сечении Б-Б, Н , Иг. х Т2ММН Т2«ин X cos - проекция на горизонтальную плоскость минимального значения амплитуды поперечной магнитной составляющей напряженности электромагнитного поля в сечении Б-Б. Способ осуществляется следующим образом. Магнитную антенну 1 (фир. 1) подключают к портативному измерителю 2 напряженности магнитного поля, ее магнитный момент -, ориентируют вдоль оси X, параллельной оси вьфаботки, и проводят измерение напряженности магнитного поля Н в начальной точке профиля - пикет 1 (ПК 1). При использовании рамочной антенны 1 (фиг, 1) плоскость витков рамки располагается ортогонально оси выработки X. Измерения напряженности магнитного поля Н проводят с шагом дX 2 м (расстояние между пикетами ПК 1 - ПК 3 и т.д.), при этом положение антенны относительно стенок вьфаботки во всех точках сохраняют на одном уровне (средней части вьфаботки по высоте и на одинаковом расстоянии от ее бортов) и при одной и той же ориентации магнитного момента. Полученные значения горизонтальной магнитной составляющей напряженности электромагнитного поля в точках профиля Xj записывают в журнал наблюдений. Если вьфаботкой вскрыты литологически однотипные породы, то уровень нормального поля рассчитывают по всем точкам профиля.(пикетам) по формуле п . где п - число.пикетов. Затем показания ti,- которые отличаются от более чем в 2,5 раза, отбрасываются как аномальные при уровне вероятности /j « 0,1. Производят повторное вычисление Н по значениям оставшихся Н и полученное значение Е принимается за уровень нормального фона в вьфаботке. В случае, если выработкой вскрывается ряд разнотипных пород, например, в квершлаге, то расчет нормаль ного фона проводят по наименее хрупким их разновидностям (например сланцам, глинам и т.п.) на участках протяженностью не менее 20 м. После оценки Нуд определяют учас ки по профилю выработки, в которых хм«кс хо и на этих участках проводят повторные измерения Нх (обратный ход). В случае, если эти значения отличаются от первона 1альных замеров не более чем на 10%, на указанных участках профиля производ измерение поперечной магнитной составляющей напряженности электромагнитного поля HI. Если значения Hj отличаются более чем на 10% от первоначальных, то процесс измерений повторяется, в указанной последовательности до получения погрешности не более 10%. Затем в указанных точках профиля поворачивают антенну на угол Л/2 (фиг. 1, ПК 3) и вращают антенну во руг оси X. Проводят измерение поперечной составляющей HI-,, как показа но на фиг. 2, до получения максимал ного значения Нц, . с шагом 44- 30. Отсчет углов поворота антенны ве Г.ется по часовой стрелке, причем 4 О, когда ; плоскость витков антенны горизонтальна, а ее момент направлен вертикально вверх. Для ферритовой антенны, выполненной в виде катушки, намотанной на феррйто вьй стержень, отсчет углов производят со -смещением на угол Л/2 против часовой стрелки, при. этом ве тикальному положению оси ферритовой антенны отвечает наибольшая чувстви тельность к источникам поля, расположенным в горизонтальной плоскости По максимальной амплитуде поперечной магнитной составляющей элект ромагнитного поля HI Н( нах дят угол . п° минимальной ам плитуде Н Чмми мии которые отличаются между собой на угол 7r/2:if - Т1/2. Участки наибольших напряжений на контуре вьфаботки определяются геометрически по пересечению с ним линии, проходящей от оси профиля измерений X под углом в плоскости, наклоненной под углом Ч , действуют инварианты главных напряжений 6 . Дли одной и той же литологической разности наиболее напряженными участками в вьфаботке считают те, где наибольшего значения достигает полная амплитуда Н магнитного вектора напряженности электромагнитного поля, рассчитываемая по формуле Н, f(H,,) -ь (Н,„,,,). При проведении измерений в породах различных литологических разностей урЪвень сигнала от источников одной мощности различается, так как с ростом проводимости пород увеличивается коэффициент поглощения электромагнитного поля средой. В связи с этим рабочая частота подбирается, так, чтобы соблюдалось условие 0.2. где f - рабочая частота измерителя; - диэлектрическая проницаемость пород, у - удельная электропроводность пород. В этом случае справедливо вьфажение для ког ффициента поглощения В: В , где /J. - магнитная проницаемость среды. С учетом коэффициента поглощения амплитуда Н, измеренная на разной частоте f , в породах различной проводимости -jp. может быть приведена к одному уровню у, соответствующему породам в разрезе с самой низкой проводимостью с помощью соотношения Нп Hni В1/, где Hj - значение полной амплитуды поля в породах с проводимостью JJ-. (коэффициент поглощения В-), .в. - коэффициент поглощения породы с самой низкой проводимостью. Аналогично замеры полной амплитуды поля Н п{ в породах с самой низкой проводимостью на разных частотах приводят к уровню одной самой низкой рабочей частоты f с помощью соотношения . Н, X . Это позволяет выбрать одну оптимальную частоту для данного типа поод 0 . которой полная амплитуда поля достигает MaKCHMaj bHoro значения.

Такой подбор оптимальной частоты измерений позволяет провести лучшее согласование в системе массив - измеритель.

Измерение направления действия главных компонент полного тензора напряжений проводят в двух ортогональных выработках (фиг. 3).

Сечения А-А и Б-Б выбирают с учетом минимального уровня помех вне зоны влияндя очистных работ, сопряжений вьфаботок и других факторов, которые могут исказить результаты наблюдений.

Для повышения точности и надежноти определения азимута А его измерения проводят не на одной, а на нескольких литологических разностях

пород, соответствующих наиболее хрупким породам: А,, Ajj,, ..., А.. и осредняют полученные значения: м

А

1-1

где п - число пар сечений, в которых

проводятся измерения. В каждой выработке измеряют направления действия главных компонент тензора напряжений Ч и V, , а также значения соответствующих им амплитуд , J Пользуясь полученными данными, находим азимут максимальных горизонтальных напряжений А по формуле

Н cos. Шин 1/иин

;

С05,, 2МИН тгмик

20 где Ag - азимут оси первой выработки.

1. СПОСОБ КОНТРОЛЯ НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ ГОРНОГО МАССИВА, основанный на.измерении магнитной составляющей естественного электромагнитного поля вокруг выработки при перемещении измерителя с приемной антенной вдоль выработки, определении уровня нормального поля в выработке . и выделении -участков массива, в которых величина магнитной составляющей превышает уровень нормального поля, при этом наиболее напряженными считают те участки, где амплитуда магнитной составляющей достигает максимальных значений, отличающийся тем, что, с целью повыше-, кия точности и информативности измерений, магнитньй момент антенны ориентируют параллельно оси выработки и производят измерения амплитуды горизонтальной (Hj() магнитной составляющей естественного электромагнитного поля, затем в наиболее напряженных участках ориентируют магнитньй момент антенны перпендикулярно оси.вьфаботки и поворачивают его вокруг этой оси на .угол, при котором регистрируют максимальную амплитуду поперечной составляющей напряженности магнитного поля (Hf..) и этот miAKC угол (. ) принимают за направление на наиболее напряженный участок контура выработки, a за направление действия главной компоненты тензора напряжений в данной выработке принимают угол (д, ) при котором регистрируют минимальное значение поперечной составляющей напряженности магнитного поля (). 2.Способ по п. 1, отличающ и и с я тем, что, с целью повышения точности измерений, измерения проводят на ряде фиксированных частот, выбирают частоту, на которой для данного типа пород регистрируют )максимальную полную амплитуду магнитной составляющей и дальнейшее измерение проводят на этой частоте. 3.Способ по п. 1, о т л и ч a ющ и и с я тем, что, с целью уточнения направления действия главных компонент тензора напряжений в массиве пород, измерения проводят в двух ортогональных выработках, пройденных в однотипных породах, измеряют в каждой из них направления действия главных коьтонент тензора напряжений и f,, и значения соответЧллмн 2 лини ствующих ИИ амплитуд «( Чг/лин и определяют азимут полного плоского тензора напряжений по формуле CXrCi H,,, COSu Т1 /иин li cos,, Т2МИН где A - азимут оси первой выработ61 ки.