Способ определения параметров расслоения кровли горных выработок Советский патент 1986 года по МПК E21C39/00 

Изобретение относится к горному делу, в частности к акустическим способам исследования и контроля . структурных неоднородностей массива горных пород вокруг горных выработок и предназначено для определения зоны расслоения в кровле горных выработок при гидродинамической стратификации.

Цель изобретения - расширение функциональных возможностей путем определения скорости развития трещины.

На чертеже показана схема определения параметров расслоения кровли горных выработок.

Здесь изображены выработка 1, массив 2 горных пород, скважина 3, зародышевая щель 4, пакер 5, труба 6, расслоение кровли 7, сейсмодат- чик 8, ансшизатор 9 спектра трещина 10, сейсмодатчики 11, сейсмоприемник 12 и устройство 13 эталонного времени.

При направленном расслоении кровли из выработки 1 в массиве 2 горных пород бурят скважину 3, в которой прорезают специальным устройством зародышевую щель 4 ( концентратор напряжения для задания требуемого направления разрыва горной породы), и устанавливают пакер 5. В зародышевую щель 4 через трубу 6 подают жидкость под давлением, при котором происходит расслоение кровли 7.

Определение параметров расслоения кровли производят следующим образом.

До расслоения кровли у устья скважины 3 устанавливают сейсмодатчик 8, подключают его к анализатору 9 спектра и подачей в зародышевую щель 4 небольшого объема жидкости под давлением через трубу 6 производят надрыв горной породы с образованием трещины 10. В результате образования трещины 10 возникает упругая волна, которая улавливается сейсмо- датчиком 8. Сигнал с него поступает в анализатор 9 спектра, посредством которого определяют максимальную частоту гармоник принятого сигнала. Затем вычисляют частоту, на которую должны быть настроены сейсмоприемники 12, по формуле

тг- Ь+дЬ

где F - частота, на которую настра- И1зают сейсмоприемники;

0

5

0

0

5

0

&Ь

/иоекс

L - заданная высота расслоения кровли (показана стрелками) ;| максимально допустимое отклонение расслоения от заданного значения высоты; максимальная частота гармоник спектра упругой волны, возникающая в результате образования трещины 10 и при- нятая датчиком 8 упругих колебаний.

В разных точках массива устанавливают через известные расстояния сейсмодатчики 11, которые подключают к настроенным на частоту F сейсмо- приемникам 12. Последние устроены таким образом, что в них производится запись времени от устройства 13 эталонного времени, когда частота следования сейсмоимпульсов от расслоения кровли достигает максимального значения.

После проведения указанных операций пюдачей жидкости под давлением в трещину 10 от мощных насосных станций производят расслоение кровли 7. Возникающие при зтом упругие импульсы принимаются сейсмодатчиками 11 в точках их установки, анализируются и на индикаторах приемников высвечивается время прохождения границы зо- нь расслоения контролируемых областей массива горных пород.

Способ основан на формировании 5 в массиве горных пород упругой волны, по спектральному составу аналогичной той, что возникает в результате расслоения кровли, настройки на эту волну приемных устройств, временной селекции максимальных частот следования сейсмических импульсов и определения характера расслоения по премени прохождения его фронта через контролируемые области кровли.

Способ предназначен для слежения за движением границы зоны расслоения кровли, где расстояние от плоскости образующейся щели до мест установки приемников является известным. Заданием параметров измерительной аппаратуры можно создать такие условия, когда каждый из сейсмодатчиков будет зоспринимать сейсмическую информацию 55 от развивающейся щели на ограниченном узком участке движения ее фронта. С целью устранения влияния на изме- рение собственных резонансных частот

3

каналов измерения нелинейную верхнюю часть полосы пропускания датчиков следует обрезать фильтром. Вредными являются и нижние составляющие спектра упругих колебаний фронта расслоения, так как они обладают относительно слабым затуханием и воздействуют одновременно на большое число сеймо- датчиков. Полоса фильтра, стоящего после сейсмодатчика, выбирается из характеристик сейсмодатчика, свойств горных пород и расстояния от выработки до расслоения кровли.

Известно, что при распространении в породном массиве амплитудные значения гармоник упругой волны изменяются по закону

Л -л

о.е.

где А - амплитудное значение некоторой гармоники упругой волны при

А - текущее значение этой амплитуды ; R - коэффициент поглощения этой

же гармоники; L - расстояние прохождения

волны. При этом

-чь -« /71 -Jl./l ол о.е 0,6 о.е, где d - логарифмический декремент

затухания, определяющий степень затухания амплитудного значения волны на участке, равном длине волны; F - частота колебаний волны; V - скорость распространения волны в породном массиве. Таким образом

L. ,

„VА

где а .

Амплитуду упругой волны у фронта щели при стационарном нагружении на массив в период образования расслоения можно считать квазипостоян- Ной. Из-за ограниченной чувствительности приемников существует А, ниже которой упругая волна не улавливается. Максимальная частота

FU гармоники сейсмического сиг- цс

нала, которая улавливается при прохождении волны расстояния L, определяется из соотношения

„.c r- -i t.

При постоянной амплитуде упругой волны в месте ее возникновения (у

232800.

границы расслоения) и заданной чувствительности приемника

L-FM«KC const,

При всех прочих равных условиях 5 увеличение дальности прохождения упругой волны возможно за счет пропорционального уменьшения ее частоты

0

5

0

5

0

o

- макс L L,+ ЛЬ- --

макс

Применительно предлагаемому способу максимальную частоту гармоник спектра определяют у устья скважины в период проведения предварительного

5 надрьта. Расстояние L и возможно его отклонение дЪ от выработки до расслоения задается исходя из технологических требований подземного производства. Частота, на которую наQ страивают сейсмоприемники, определяется из полученной формулы. Таким образом, обеспечивается гарантия приема каждым из сейсмодатчиков сигналов акустической эмиссии, сопровож5 дающих развитие расслоения и создаваемых продвигающимся фронтом.

Кроме того, обеспечивается отсеивание подавляющей части низкочастотных составляющих спектра сейсмического сигнала, распространяющихся на значительные расстояния, являясь помехой при выборе полезного сиг- Нала.

Особенностью предлагаемого способа является селекция зон пространства горного массива посредством датчиков упругих волн с выбранным частотным диапазоном и определенной чувствительностью измерительного оборудования, т.е. каждый из сейсмодатчиков принимает сейсмическую информацию о развитии расслоения лишь на ограниченном участке движения фронта расслЬения.

Применение предлагаемого способа позволяет не только определять параметры расслоения кровли горных выработок, но и управлять процессом расслоения, т.е. по получаемым данным в наглядной информативной форме судить о достигнутых размерах трещи-г ны и давать рекомендации для режимов нагнетания жидкости при осуществлении гидроразрывов. Кроме того., способ применим в массивах с любыми свойст- 5 вами горных пород и прост в технической реализации в условиях шахт и Iрудников, опасных по газу, пыли и {выбросам.