Способ оценки изменений напряженного состояния элементов горных выработок Советский патент 1985 года по МПК G01V3/10 

I Изобретение относится к геофизич ким методам контроля и может быть использовано для контроля динамики массивов горных пород, вскрытых гор ной выработкой, контроля изменений напряженного состояния элементов горных выработок, с целью прогнозирования оползневых Явлений, потери элементов выработки устойчивости, а также может быть использовано для прогноза горных ударов, выбросов га за или угля, извержений вулканов, землетрясений, .Известен способ оценки напряженного состояния массива горных пород заключающийся в том, что в исследуе мом и базовом массиве бурят скважины, помещают в них зонды, состоящие из генераторной и приемной катушек. При включенной установке измеряют на различных частотах изменение диэлектрической проницаемости пород по длине скважины и по экстремальному значению отношений диэлектрически проницаемостей исследуемого и нетронутого массивов устанавливают местоположение зоны увеличения напряженности массива пород. Способ позволяет контролировать формирование зоны опорного давления при относительно однородных литологических составах пород, по длине ба зовой и исследуемой скважин D . Недостатками способа являются: трудоемкость операций по бурению шпуров (скважин ), значительное изменение диэлектрической проницаемости при изменении увлажненности участ ков массивов базового или контролируемого; способ не обладает экспрессностью; способ позволяет контролировать напряженное состояние лишь вблизи околоскважинного пространства Известен также способ определения изменений напряженно-деформирован кого состояния го1зных пород. Согласно способу предварительно проводят детальную съемку электросопротивлений на площади массива горных пород, определяют его области, друг от друга отличающиеся по величине прово димости более чем в 100 раз. Затем , определяют место контакта этих двух областей, устанавливают питающие электроды по разные стороны от контакта и пропускают электрический ток (постоянный или переменный ), с целью поляризации контакта, одновременно 06 на поляризационном контакте измеряют электромагнитные сигналы на различных частотах. Исследуют соотношение амплитуд сигналов различных частот и при достижениях последних определенных значений судят о изменении напряженно-деформированного состояния массива пород вблизи контакта. Способ применим для контроля напряженно-деформиров анно го со стояния пьезо-кварцевых пород, контактирующих с осадочньми, метаморфическими и рудосодержащими породами 2. Однако способ имеет узкую область применения: не применим для участков поверхности Земли с мощным слоем глинистых пород, например, на месторождениях карбонатных пород, огнеупорных глин (мощность глинистых пород 40-50 м ). Сопротивление контактирующих пород в большинстве случаев лишь в несколько раз (до 10) отличается друг от друга. Осуществление способа по регистрации электромагнитных излучений на контактах пород подвержено влиянию внешних естественных и промьшленных электромагнитных помех - сигналы могут быть соизмеримыми. Применение способа на контролируемой поверхности Земли может привести к ошибочным выводам о изменении напряженно-деформированного состояния пород: земная поверхность находится в .постоянном колебательном движении ( дрожжит ) в магнитном поле Земли, что также вызывает над поверхностью Земли колебания векторов индукции, которые в приемных частях измерительного устройства индуктируют электромагнитные колебания самых различных частот, по амплитуде сопоставимые с сигналами на контактах после поляризации. Согласно способу время поляризации неопределенно, поэтому величины ожидаемых электромагнитных и сейсмических излучений также неопределенными, что неизбежно приводит к ошибочным выводам о изменении напряженно-деформированного состояния горных пород. К тому же частоты амплитуды колебаний зависят от прилагаемых силы и напряжения электрического тока. Наиболее близким по технической ущности к предлагаемому является пособ оценки изменений напряженноо состояния элементов горных выра-i боток, включающий процесс бурения скважин в исследуемых объемах эле- ментов измерения по глубинам скважин изменений скомпенсированной вертикальной составляющей напряжен ности главного магнитного поля и сравнения с аналогичной величиной в объемах элементов целиковых частей массивов. Согласно способу бурят скважины и помещают в них неполяризующиеся электроды. Межскважинную часть массива поляризуют путем пропускания постоянного тока посредством неполя риэующихся электродов. При появлении в массиве постоянного наведенного потенциала отключают напряжение, регистрируют во времени изменение наведенного потенциала и по экспериментальному значению потенциа ла геоэлектрического поля положитель ной или отрицательной полярности судят о напряженном. состоянии горного массива. Способ позволяет контролировать изменение напряженного состоя ния массива горных пород лишь в объе ме межскважинного пространства .. Однако по известному способу конт ролируется лишь межскважинная часть массива, а для увеличения объема кон ролируемых пород необходимо провести дополнительные.объемы бурения, это делает способ трудоемким. Способ не обладает экспрессностью. Для осуществления способа необходимо знать геологическую структуру контролируемого массива, что возможно только при проведении дополнительного бурения. Способ не позволяет производить длительный контроль изменений напряженного состояния при значительной обВ1Одненности горных пород массива. Увлажнение пород в исследуемой части массива полностью исказит картину поляризации пород. При различных литологических изменениях от скважины к скважине и дополнительно к этому .увлажнению пород меняется незаконо|мерно полярность и величина поляриза |ции, что приводит к ложной информа ции о изменении напряженного состояния массива горных пород. Способ не защищен от влияния промьшшенных электромагнитных помех, которые всег да наблюдаются при проведении выработок и последующей эксплуатации мес торождения. Целью изобретения является повышение чувствительности и экспресснос при малых трудовых затратах изменений напряженного состояния элементов преимущественно части борта карьера или кровли штрека. Поставленная цель достигается тем, что согласно способу оценки изменений напряженного состояния, элементов горных выработок, включающему процесс бурения скважин в исследуемых объемах элементов, измерения по глубинам скважин изменений скомпенсированной вертикальной составляющей напряженности главного магнитного поля Земли и сравнения с аналогичной величиной в объемах элементов целиковой части массивов, непрерывно пропускают постоянный ток силой до 10 А че:рез подсоединенные к генератору электроды, установленные попарно на различные глубины в двух скважинах, пробуренных за границами исследуемой части элемента, непрерывно регистрируют ЭДС в катушке индуктивности при се перемещении по профилям на высоте до 0,7 м от поверхности элемента, сравнивают формы и амплитуды ЭДС по профилям при различной глубине пропускания тока при обнаружении экстремальных изменений напряженного состояния пород элементов. Кроме того, частоту режимных измерений увеличивают в 3-4 раза в период сезонного подъема уровня подземных вод и при лучно-солнечйых приливных пиковых вариантах. При пропускании постоянного тока через некоторый объем пород в последнем, возникает постоянное магнитное (индукционное ) поле., Магнитное попе характеризуется магнитными сиповыми линиями вектора 1шдукции. Направление магнитных силовых линий ин. дуцированного магнитного поля в зависимости от направления постоянного тока может совпадать или не совпадать с направлением магнитных силовых линий вектора индукции главного магнитного поля Земли. При совпадении названных направлений аномалия главного магнитного поля Земли на геометрических и физических неоднородностях может увеличиваться на 100-200 нТ, при изменениях пропускаемого тока в пределах 2-8 А. Над поверхностью Земли (до 0,6 м) фиксируется суммарное магнитное поле : главное магнитное поле Земли и постоянное магнитное поле постоянного электрического тока, проходищее по всему исследуемому объему го ных пород. Магнитные силовые линии вектора магнитной индукции главного магнитного поля и магнитные силовые линии постоянного индуцированного магнитного поля постоянного тока пр ломляются на геометрических и физических неоднородностях, в том числе и на зонах изменения напряженного состояния, обратно пропорциональног VE и . где , Ej - диэлектрические проницаемости двух контакти рующих пород; 1 магнитные проницаемост этих пород, an,- коэф фициент преломления. В природе .наблюдаются существенные различия даже немагнитных пород значений 6 в пределах ед. Осо но высокое значение у воды. Магнитные проницаемости пород (кром руд ) почти всегда равны или больше единицы, но меньше двух, но изменяются в относительно больших преде|лах. Существует электрическая зависимость между магнитными аномалиями над поверхностью Земли и скрытой стадией развития зон изменения физических свойств, причем эти зоны всегда вызывают изменения напряженного состояния пород элементов горных выработок, В способе используется известный факт уменьшения напряженного состояния горных пород, слагающих . массив, с увеличением их влажности, а для глинистых пород - увеличение их влажности приводит не только к уменьшению иапряженнрго состояния, но и к разрушению. По данным исследований многих авторов наблюдает ся сезонное колебание уровня подземHbix вод; с октября по май месяцы пр исходит подъем уровня вод от 10 до 15 м; затем происходит падение уровня. В способе предлагается учитывать процесс изменения напряженного состояния пород под воздействием вл путем постановки режимных наблюдений с октября по май месяцы с переходом через январь. Из законов электродинамики известно, что во всяком замкнутом про водящем контуре при изменении потока магнитной индукции через площадь, ограниченную этим контуром,, возникает электрический индукционный ток. Суммарная величина ЭДС индукции (tc ) пропорциональная скорости изменения суммарного потока индукции со временем и определяется по формуле Р -/.+ 1 - ( ° С (,-1 -т/ 3i d-t -из,Ф. 5,-пЧ + и).пЧ2 , де w , соответственно частоты пересечения контурных аномалий плотности магнитных силовых линий векторов индукции естественного и искусственного магнитных полей; V, - соответственно углы между нормалью рамки и: магнитными силовыми линиями векторов индукции естественного (главного ) магнитного поля Земли и магнитного поля тока; Ф . I - соответственно нормальные потоки магнитной индукции через площадь контура естественного и искусственного магнитных полей; dt - время принятое для определения изменений потоков магнитных ин- индукций. Согласно принципам суперпозиций олей в перемещаемой катушке индукивности индуктируется суммарная ЭДС т векторов магнитных индукций главноо магнитного поля Земли и искусственго -магнитного поля тока. Отличительной особенностью пред- агаемого способа является то, что отличии от других известных спообов, оценки изменений напряженого состояния массивов горных поод, этот способ позволяет заблаго-ременно обнаружить момент зарождеия скрытых зон изменения термодиамического состояния пород, котоые одновременно являются зонами изенения напряженного состояния поод. Использование способа для режимного исследования элементов горных выработок позволит при обнаружении скрытых зон. произвести ряд предохранительных мер для предотвращения разрушения элемента. Другой отличительной особенностью способа является: возможность контроля напряженного состояния больших объемов пород, без нарушений их сплошности за счет постановки скважин для размещения электродов на значительном расстоянии от элемента Способ применим и для длительного контроля изменений напряженного состояния элементов подземных выработок, кровли, почвы, стенок целиков, пластов угля. Пропускание постоянных токов различной плотности на различных глубинах позволяет подавить магнитные компоненты различных естественных и искусственных электромагнитных полей: индукционное магнитное поле в десятки раз превьшает .поля помех. На фиг.I показан план расположеНИН профилей наблюдения и скважин для погружения электродов; на фиг.2 разрез А-А на фиг.1; на фиг.З - разрез Б-Б яа фиг Л; на фиг.4 - схема определения местоположения зоны из.менений напряженного состояния пород борта карьера. I На фиг.1 и 2 схематично показаны скважина.1, для погружения питающих электродов, генератор 2 постоянного тока, профили 3 наблюдений, катушка 4 индуктивности, магнитный регистратор 5, бровка, 6 борта карьера, оползная масса 7 пород борта карьера, след прогнозируемой зоны уменьш ния напряженного состояния пород борта карьера 8, погружные токовые электроды 9, глубины 10-12 пропускания тока, суглинки 13, глины с обло ками скальных включений 14, закарсто вшшые породы 15. Схема образования суммарной магни ной аномалии на наклонной трещине вн ри объема пород вблизи борта карьера (фиг.З) содержит магнитные силовые линии 16 вектора магнитной индукции главного магнитного поля Земли, магнитиые силовые линии 17 вектора магнитной индукции постоянного тока, зо на наклонной трещины 18, окружности расположения точек 19 равных векторов магнитной индукции электрического тока (концентрические окружности без однородностей j, линии расположения точек равных векторов магнитной индукции электрического тока ( контуры. неправильной формы - на неоднородностях 20, направление постоянного электрического тока 21 перпендикулярно плоскости чертежа. На фиг.4 обозначено: а - изменения графиков ЭДС по трем глубинами 1-го профиля; б - геологический разрез по профилю; экстремальные значения ЭДС над заколом 22 зоной раз- грузки напряженного состояния пород борта карьера, закол пород 23, экстремальные значения ЭДС по трем глубинам 24, прогнозируемая плоскость скольжения пород 25, сползшая часть борта карьера 26 с наименьшим градиен том.изменения напряженного состояния, зона изменения напряженного состояния пород борта карьера 27. Рассмотрим пример конкретного осуществления способа оценки изменений напряженного состояния элементов горных выработок на борту карьера, склонному к оползнеобразованию. На достаточно большом расстоянии от борта карьера (до 100 м от бровки ) бурят две скважины 1 (фиг.2) для погружения питающих электродов 9 на глубины, на которых возможны изменения термодинамических состояний пород. Изменения термодинамических состояний пород в рассматриваемом, случае, согласно геологическим данным, изменение напряженного состояния пород с последующим оползнем возможно на всю глубину рыхлых отложений 13 и 14 до твердых 15 (фиг.2). Поэтому выбрана 10 глубина - 15 м, 11-я. глубина 23 м, 12-я глубина - 40 м (фиг.2Ь На оползнеопасных участках примерно перпендикулярно к бровке борта карьера 6 разбивают профиля наблюдений 3 с захватом зоны возможного закола 8, По профилям 3 при пропускании тока определенной полярности производят профилирование катушкой 4, соединенной кабелем с магнитным регистратором 5. В качестве генератора 2 постоянного тока рекомендуется использовать Генератор СГЭ-72. Дпя сравнения значений ЭДС по графикам конечной точки профилей выбирают на сползшей массе 7 пород борта карьера. Вначале пропускают токи на первой глубине (15 м) и записывают графики изменений ЭДС по профилям. График ЭДС по ПР I при глубине пропускания 15 м. показан на фиг.4, а затем не изменяя силы тока в питающей сети пропускают тот же ток на глубинах 25 и АО м и записывают графики ЭДС(фиг.4а)1 Причем предварительно выбирают направление пропускания тока через исследуемый объем пород путем замера вертикальной компоненты магнитного поля на какой-либо точке исследуемой площади: выбирают такое, которое noвышает значение вектора индукции ма нитного поля. До пропускания постоянного тока магнитные силовые линии магнитного вектора индукции 16 (фиг.З) прелом- ляются . на границах t различных пород, земля-воздух, и на зоне зарожде ния изменений напряженного состояни пород борта карьера 18 по закону Снеллиуса, образуя над поверхностью участки сгущений и разряжений линий. Для контроля изменений напряженного состояния этих аномалий недостаточно для появления экстремаль ных значений ЭДС на графиках. При пропускании постоянного тока в объеме пород без неоднородноетей по законам электромагнетизма на поверхности Земли появляются дополнительно магнитные силовые линии вект ра магнитной индукции постоянного тока 17, также образуя равномерный фон, При прохождении тока через неоднородность 18 над земной поверх ностью образуются дополнительно участки сгущений и разряжения, обра зуя усиленную магнитную аномалию (.фйг.З ). Этих магнитных аномалий уж достаточно для образования экстремальных значений ЭДС 22 (фиг.4) на графиках профилирования. Полученные графики ЭДС при пропускании токов на различных глубинах анализируют совместно. Для выбранных элементов горных выработок, в нашем примере бортов карьеров, характерно :ледующее: При перемещении катушки на заколах пород возникает экстремальное значение 22 ЭДС, превышающие фоновые до 10 раз по амплитуде; вблизи бортов карьеров на юползнеопасных i участках появляются экстремальные значения 24 ЭДС, амплитуды которьрс и до 5-8 раз больше фоновых. Опытная проверка бурением показывает, что экстремальным значением 24 ЭДС соответствуют зоны формирования плоскости скольжения 25 при зоне зарождения изменений напряженного состояния пород 15. Совместный анализ Графиков ЭДС позволяет определить местоположение зоны изменений напряженного состояния пород находится на глубине от 15 до 40 м и она находится на расстоянии 25 м от начала профиля; сползшая часть пород 26 борта карьера имеет наименьший градиент изменений напряженного состояния, часть пород 27 борта представляет зону максимальных изменений напряженного состояния пород до следующего закола. Способ изпытан на двух бортах карьеров Докучаевского флюсодоломитного комбината и Новотроицкого РУ в течение 1981-1983 гг. . .- Способ применим для контроля, напряженного состояния стенок, потолчин, почвы, кровли подземных выраю боток. Кроме того, он может быть использован для контроля напряженного состояния массивов угля для прогно за выбросов. Б сейсмически активных районах возможно применение способа для прогнозирования землетрясений и извержений вулканов. Экономическая эффективность предлагаемого способа не вызьшает сомнений. Оценка напряженного состояния массива обычно производится бурением скважин. Она складьтается из сокращения объемов разведочного бурения на 20% при средней стоимости бурения I погонного м пород 10 руб/м , из сокращения сроков проведения предварительной и дегальной разведок. Расчет экономического эффекта произведен согласно формуле э (Сс- с„) - Е(к„- КС)А, . где С с - стоимость геологоразведочных работ на 1 км площади руб/км. при общей сети всех видов разведок 100x200 м (50 скважин на 1 средней стоимостью 1 погонного м скважин с 10 руб.при глубине исII1157506следований К 200 м С 50 х 1U х X 200 100000 .руб/км2 j; CH - стоимость геолого-геофиэических работ при сокращении скважин геологоразведочного 5 бурения на 20% Сц (1-0,2 } Ct 0,8 X 100000 80000 руб/км Кц, удельные капитальные .10 затраты соответственно после внедрения геофизиА-Ани ч с

rW

Фиг.1 ческих методов. Разность удельных капитальных затрат составит на 1 км .80220. . 3200 руб/км KH- KC А 25 км - площадь исследования. При среднем размере месторожденерудного лырья 25 км экономикий зффект от применения способа тавит 500000 руб.

иъ.г.

W

17

ifl

f,mv w 41

VVAA.

21

19

20

Фиг.

J5A; ftfJN

J 5A--,h. tS