Способ определения нарушенности горного массива и устройство для его осуществления Советский патент 1992 года по МПК E21C39/00 

Изобретение относится к горному делу и может быть использовано для определения состояния горного массива, в частности определения нарушенное™, не выходящей на обнажения горных выработок.

Известен способ определения нару- шенности горного массива, заключающийся в том, что на исследуемом участке массива создают электрическое поле и измеряют его потенциал. Регистрируют разность потенциалов и фиксируют наличие заколов, которые и свидетельствуют о нарушенности горного массива. Способ осуществляется с помощью устройства, содержащего источник питания постоянного тока, который соединен через амперметр с питающими

электродами, и регистратор, подключенный к измерительным электродам.

Указанный способ не позволяет определять нарушенности, не выходящие на обнажения горного массива. Кроме того, способ осуществим только при наличии закола, а также при наличии между заколом и массивом открытых трещин (воздушные зазоры), выходящих на обнажения торных выработок. В большинстве случаев нарушенности, трещины, расслоения встречаются в глубине массива, и данным способом определить их наличие и местоположение не представляется возможным.

- Устройство для осуществления известного способа имеет низкую надежность

Јь

ю

00

ределения нарушенное™, не выходящей на обнажения горного массива из-за влияния поляризации электродов и промышленных электрических помех. Приэлектродные эффекты и электрические помехи в основном обусловлены введением в горный массив постоянного тока.

Таким образом, известные способ и устройство не обеспечивают необходимой точности и при определении нарушенное™, не выходящей на обнажения горных выработок.

Целью изобретения является повышение точности определения нарушенности, не выходящей на обнажения горных выра- боток.

Указанная цель достигается тем, что по способу определения нарушенности горного массива, включающему создание на исследуемом участке массива наведенного электрического поля и измерение его потенциала, по которому определяют нарушен- ность массива, осуществляют компенсацию наведенного электрического поля током противоположной полярности, величину ко- торого определяют из соотношения

12-It L22/U2,

а глубину залегания нарушенности h определяют по формуле

. 1 fa b h pki 3 я-Ди

Устройство для осуществления способа, содержащее источник питания, генера- тор переменного тока, выход которого соединен с питающими электродами, измерительные электроды, подключенные к входу узкополосного усилителя, и соединенный с ним милливольтметр, снабжено компенса- ционными электродами и регулирующими переменными сопротивлениями, при этом компенсационные электроды подключены через регулирующие сопротивления к выходу генератора переменного тока противо- фазно питающим электродам.

На фиг. 1 представлена схема установки AiBaMNAaBi и распределение наведенного электрического поля в ненарушенной породе; на фиг. 2 - структурная схема устройст- ва; на фиг. 3 - распределение потенциала вдоль электропрофиля по разрезу-при наличии нарушенности в горном массиве.

Способ осуществляется следующим образом.

На исследуемом ненарушенном участке массива устанавливают питающие 1 и измерительные 2 электроды вдоль электропрофиля 3 (фиг. 1). Расстояние между питающими и измерительными электродами, а также положение центра установки определяют по размеченным на электропрофиле пикетам. После совмещения центра установки с пикетом профиля, установления и подключения электродов измеряют разность потенциала Д U и тока И и вычисляют удельное электрическое сопротивление pxi на ненарушенном участке по известной формуле

v AU /OKI К

где К л

И

(АВ 2 - MN 2)

коэффициент уста4 MN новки.

Затем на электропрофиле устанавливают компенсационные электроды 4 на расстоянии, равном половине расстояния от центра до питающих электродов 1, и подключают к электродам 1 и 4 питающие и компенсационные токи. Через электроды Ai и Аа (фиг, 1) пропускают ток положительной, а через электроды Bi и В2 - отрицательной полярности. Сила токов в цепи электродов AiBi и А2В2 равна соответственно h и ч.

В связи с противоположной направленностью токов И и г создаваемые ими в ненарушенной среде геоэлектрические поля будут, в зависимости от соотношения токов и расстояний между питающими электродами, полностью или частично компенсироваться. В случае полной компенсации разность потенциалов между измерительными электродами MN равна нулю. Иначе говоря, разности потенциалов, создаваемые между измерительными электродами в. каждой из питающих линий, в момент компенсации равны по величине и противоположны по знаку, т.е. Ui - U2.

-гAII /°К1 ИMN

Так как ДЦ - -- ., и Л AI M AI N

дц -ЈК2 2 . MN

Я

А2 M A2 N И

12

следовательно, . ., . ., .......

AI M AI N А2 M A2 N

При MN « AiBi и AaB2 последнее выражение может быть представлено в виде равенства l2 lil 22/Li2.(1)

Уравнение (1) устанавливает соотношение между разносами питающих электродов и величинами протекающих между ними токов, необходимое для полной компенсации наведенного электрического поля в районе измерительных электродов в ненарушенных породах.

Характер распределения силовых (сплошные линии) и эквипотенциальных (пунктир) линий наведенного электрического поля, создаваемого установкой AiB2MNA2Bi в ненарушенной породе, приведен на фиг. 16. При этом соотношение разносов между электродами А2В2 и AiBi принято равным 1:2.

Затем установку AiB2MNA2Bi перемещают по нарушенному участку вдоль электропрофиля с шагом, равным MN. При наличии нарушенное™ 5 происходит перераспределение электрических полей,создаваемых электродами AiBi и А2В2. В результате этого условие компенсации их в районе измерительных электродов нарушается, и на последних появляется разность потенциалов, величина которой с учетом знаков питающих токов определяется соотношением

AU AU1A1B1-AU2A2B2 (2) или

AU /OK1A1B1- 1. MN

А2В2 12

ПAiMAiN

MN РК2 И MN

п

А2 М А2 N

л

12 . MN .

L2 ll -L.2 Li2

2

и MN а, то, производя

подстановку, получают AI . aРИ 11 m a

ПL12 ЯL12

(pK2-p J-. n LiJT Li г

или

Д/.

jr Li

Из последнего равенства следует, что регистрируемая разность потенциалов пропорциональна разности сопротивлений нарушенных и ненарушенных пород.

Введенный в породу электрический ток проникает в толщу пород на значительную глубину, но его плотность уменьшается по мере удаления от электродов AI и BL Эффективной глубиной (расстояние распространения тока в породе) считается граница, выше и ниже которой распространяется 50% общего количества тока, введенного в породу. Глубина этой границы зависит от соотношения сопротивлений нарушенных и ненарушенных пород, равного Ь /ЭК2//ОК1. Путем изменения соотношения U/L2 и Ii/l2 создают наивысшую плотность тока на той глубине горного массива, где ожидаются на- рушенности. При этом о присутствии нару- шенности судят по величине потенциала, не равного нулю, а по максимальному значению потенциала оценивают глубину с местоположения нарушенное™, которая соответствует расстоянию, равному

И

а b И -/JK1

3 Ґ я-Ди при соотношении сопротивлений нарушенных и ненарушенных пород 53 b 4.

Устройство для осуществления предлагаемого способа (фиг, 2) содержит источник 6 питания постоянного тока, генератор 7 переменного тока, узкополосный усилитель

08, сопротивления 9. питающие электроды 1. компенсационные электроды 4, измерительные электроды 2 и регистратор 10.

Устройство работает следующим образом.

5 Постоянное напряжение от источника 6 по проводам подается на генератор 7, вырабатывающий переменный ток строго фиксированной низкой частоты (5 ± 0,01) Гц Выход генератора соединен с питающими 1

0 и компенсационными 4 электродами установки. Амплитуда тока, протекающего через питающие и компенсационные электроды, подбирается (с помощью сопротивления RI и R2) такой, чтобы она удовлетворяла урав5 нению (1). Таким образом, в ненарушенной породе наведенные электрические поля от питающих и компенсационных электродов полностью скомпенсированы.

При наличии нарушенности на измери0 тельных электродах 2 установки возникает разность потенциалов с частотой, соответствующей рабочей частоте генератора, которая поступает на вход усилителя 8 с узкополосной частотной характеристикой,

5 обеспечивающей прохождение через усилитель только полезных сигналов рабочей частоты. С выхода усилителя 8 полезный сигнал подается на регистратор 10, где и фиксируется. Погрешность измерения по0 лезных сигналов (Д U) не более 2%.

Использование генератора, вырабатывающего ток строго фиксированной частотой 5 Гц, и узкополосного усилителя, обеспечивающего прохождение только полезных

5 сигналов рабочей частоты, позволяет исключить поляризацию электродов и влияние промышленных электрических помех. Узкополосный усилитель предназначен для обеспечения помехоустойчивости измере0 ний при воздействии промышленных помех Уровень подавления промышленной частоты 50 Гц достигает 80 дБ.

Низкая частота 5 Гц позволяет проводить интерпретацию результатов наблюде5 ний с использованием закономерностей полей постоянного тока.

Предлагаемый способ и устройство прошли опытно-методическую проверку на рудниках комбината Ачполиметалл, в

частности на четырех участках 13-16 гор Северного геологического блока, где в массивах горных пород, сложенных доломитами и доломитизированными известняками, вдоль горных выработок было проведено злектропрофилирование обнаженных стенок массива и пород кровли установкой AtBaMNAzBi с длиной питающей линии 3: 5; 6 и 10 м и MN-0,2; 0,6; 1,2. 1.6 м. Интерпретация данных измерений сводилась к получению графика распределения потенциала по электропрофилю. Судя по кривой (фиг. 3), полученной по данным измерения, максимальное значение потенциала составляет Д (J- 170 мВ и соответствует глубине залегания нарушенное™ 2,4 м. Полученный результат подтвержден бурением скважин с отбором керна и измерением удельного электрического сопротивления кернового материала /ОК2

Кроме того, предлагаемый способ и устройство апробированы на участке 19 гор рудника Глубокий при изучении состояния искусственного массива из твердеющей закладки, где в закладочном массиве определены нарушенное™ на глубине 3,1 м (см, таблицу),

В таблице приведены результаты определения нарушенное™, не выходящей на обнажения горных выработок, полученные г использованием предлагаемого технического решения, и сравнение этих результатов по данным бурения скважин с отбором керного материала.

Таким образом, способ позволяет повысить точность определения нарушенное™, не выходящей на обнажения горных выработок, по сравнению с трудоемким процессом бурения скважин и отбором керного материала. Томность определения нарушен- ос.и предлагаемым способом составляет b-15% и зависит от глубины проникновения -. породу тока и соотношения нарушенных и ненарушенных пород, Способ может найти применение при исследованиях нарушенное™ искусственного массива из твердеющей закладки.

Формула изобретения

1, Способ определения нарушенности горного массива, включающий создание на

исследуемом участке массива наведенного электрического поля и измерение его потенциала, по которому определяют нарушен- ность MaccHBat отличающийся тем,

что, с целью повышения точности определения нарушенности, не выходящей на обнажения горных выработок, осуществляют компенсацию наведенного электрического поля током противоположной полярности,

величину которого определяют из соотношения

-L22/L12,

где h - величина тока, протекающего между питающими электродами, А;

2 величина тока, протекающего между компенсационными электродами, А;

LI, La - расстояние между соответственно питающими и компенсационными электродами, м;

а глубину залегания нарушенности h определяют по формуле

h

1 -Ла b HI -/9K1 ЗУ я-AU

где а - расстояние между измерительными электродами, м;

b - отношение удельных электрических сопротивлений нарушенных и ненарушенных пород (3 b 4);

PKI - удельное электрическое сопротивление ненарушенных пород. Ом м;

AU - наибольшее значение измеряемого потенциала, В.

2, Устройство для определения нарушенности горного массива, содержащее источник питания, генератор переменного тока, выход которого соединен с питающими электродами, измерительные электроды, подключенные к входу узкополосного усилителя, и соединенный с ним милливольтметр, отличающееся тем, что оно снабжено компенсационными электродами и регулирующими переменными сопротивлениями, при этом компенсационные электроды подключены через регулирующие сопротивления к выходу генератора переменного тока противофазно питающим

электродам.

а

s s,

Использование: определение скрытых нарушений в приконтурном массиве горных пород. Сущность изобретения: на исследуемом участке массива устанавливают питающие, измерительные и компенсационные электроды. Питающие и компенсационные электроды подключают через регулирующие переменные сопротивления к выходу генератора переменного тока противо- фазно. Измерительные электроды через узкополосный усилитель соединяют с милливольтметром. Пропускают ток через питающие электроды и Создают в массиве наведенное электрическое поле. Через компенсационные электроды пропускают ток противоположной полярности. Величины токов, протекающих между питающими и компенсационными электродами, выбирают пропорционально квадратам расстояний между электродами. Определяют величину потенциала между измерительными электродами. По полученной величине потенциала определяют глубину залегания нарушения. 2 с.п. ф-лы, 3 ил., 1 табл., 1 пр. сл С

-bAt О JzAt ,

.Фиг.1

50