Способ определения смещений массива горных пород Советский патент 1992 года по МПК E21C39/00 

Изобретение относится к горному делу и может быть использовано при исследовании процессов сдвижения горных пород при подземной разработке полезных ископаемых.

Известен способ определения сдви- - жений массива горных пород, включающий закладку реперов по основным и дополнительным профильным линиям в зоне влияния горных пород, наблюдения за смещениями репрров, по которым судят о сдвижении массива горных пород, определение направления действия минимального и максимального тектонических напряжений, ориентирование заложенных по основным профильным линиям реперов по направлениям действия минимального и максимального тектонических напряжений.

Недостатком известного способа является недостаточная точность измерения смещения в глубине массива, так как по деформации поверхности трудно перейти к расчету осадок глубинных слоевИзвестен способ определения смещения массива горных пород, включающий бурение скважины в направлении выработанного пространства под углом., близким к углу сдвижения массива, или вертикальную скважинуt В скважине закXJ00 GJ О О

ладывают реперы, имеющие с поверхностью гибкие связи (стальная проволока). По изменению длины связей определяют смещение реперов в направ- лении оси скважины. Реперы в глубине скважины закрепляются с помощью якорных распорных устройств или бетонируются.

Однако известный способ имеет еле дующие недостатки.

Использование глубинных реперов с механическим закреплением возможно при достаточно крепких вмещающих породах, когда обеспечивается устойчи- вое состояние стенок скважины на необходимый период времени. В неустойчивых породах происходит обрушение стенок скважины, заклинивание проволок и невозможность передачи смеще- ний репера.на поверхность о Кроме того, практика установки глубинных реперов показала всю сложность и практическую невозможность установки болшого количества реперов (более трех) с механическим закреплением в одной наблюдательной скважине без создания условий для взаимного трения проволок, снижающих точность измерений. Проведение измерений в скважинах, за полненных агрессивной средой, которой, как правило, являются минерализованные воды рудных водоносных горизонтов, вызывают коррозию проволоки, изменение ее деформационных

свойств, что снимает точность измерений .

Наиболее близким техническим решением является способ определения смещения массива горных пород, согласно которому бурят скважину в зоне смещений массива, затем измеряют в ней геофизические параметры, после чего выделяют репериые слои пород, резко отличающиеся по свойствам от свойств окружающих пород, и производят цикл наблюдений за изменением глубины реперных слоев, по которым судят о смещении горных пород.

Недостатком такого способа является низкая точность измерений, поскольку смещение реперов определяют по разности расстояния репера от фиксированной точки на земной поверхности по меткам каротажного кабеля

35

40

45

50

Поставленная цель достигается тем, что, в способе,включающем бурение рабочей скважины в зоне смещения массива, измерение геофизических параметров вдоль рабочей скважины, выделение реперных слоев пород по значениям геофизических параметров, периодическое определение глубин залегания реперных слоев рабочей скважины и определение смещений массива горных пород по изменениям глубин залегания реперных слоев, дополнительно бурят опорную скважину за пределами зоны смещения массива, выделяют в опорной скважине реперные слои пород, а изменения глубин залегания реперных слоев рабочей скважины определяют относительно глубин залегания реперных слоев опорной скважины.

При этом предварительно измеряют фоновое значение геофизических параметров, а реперные слои выделяют по величине геофизических параметров превышающей фоновое.

Кроме того, устанавливают границы

или стального канята. При этом в слу- 55 интервалов наблюдения, включающие не чае глубоких скважин резко возраста- менее одного реперного слоя в опорет погрешность измерении, вносимая изменением длины каротажного кабеля

ной скважине, определяют положение средневзвешенного значения измеряемо

0 5 0

5

0

5

0

или каната в результате его вытягивания во времени и разности температуры в разных циклах измерений. Кроме того, в прототипе в качестве меры положения реперов предлагается использовать либо контакт пород с резко различающимися физическими свойствами, либо максимум интенсивности регистрируемого геофизического параметра, например, гамма-излучения Погрешность этих мер положения существенно зависит от аппаратурных погрешностей регистрации геофизических параметров (амплитуды, скорости движения кабеля, случайных флуктуации геофизического параметра). Момент начала сдвижения в прототипе фиксируется по моменту фиксации смещений, превышающих погрешность измерений, что также снижает точность интерпретации измерений.

Целью изобретения является повышение точности измерений, что позволит наиболее эффективно вести наблюдения за смещениями массива на большой глубине в рыхлых или слабоустом- чивых породах при необходимости контроля большого количества горизонтов наблюдений.

Поставленная цель достигается тем, что, в способе,включающем бурение рабочей скважины в зоне смещения массива, измерение геофизических параметров вдоль рабочей скважины, выделение реперных слоев пород по значениям геофизических параметров, периодическое определение глубин залегания реперных слоев рабочей скважины и определение смещений массива горных пород по изменениям глубин залегания реперных слоев, дополнительно бурят опорную скважину за пределами зоны смещения массива, выделяют в опорной скважине реперные слои пород, а изменения глубин залегания реперных слоев рабочей скважины определяют относительно глубин залегания реперных слоев опорной скважины.

При этом предварительно измеряют фоновое значение геофизических параметров, а реперные слои выделяют по величине геофизических параметров превышающей фоновое.

Кроме того, устанавливают границы

5 интервалов наблюдения, включающие не менее одного реперного слоя в опорной скважине, определяют положение средневзвешенного значения измеряемого геофизического параметра относительно границ интервалов наблюдения и принимают его в качестве глубины залегания реперных слоев.

На фиг.1 изображена конечная фаза сооружения скважины в зоне смещения массива горных порол; на фиг.2 - конечная фаза сооружения скважины за пределами зоны смещения массива; на фиг.З фаза выделения реперных слоев пород; на фиг. - график изменения геофизического параметра I с глубиной в скважине, расположенной в зоне смещения массива; на фиг. 5 - то же в скважине,расположенной за пределами зоны смещения массива;на фиг.6 - фаза определения глубин интервалов наблюдений; на фиг.7 - график изменения геофизического параметра I от глубины в пределах интервалов регистрации в скважине, расположенной в зоне смещения массива пород; на фиг.8то же, в скважине, расположенной за пределами смещения массива; на фиг.9 фаза определения относительной глубины реперных слоев; на фиг„10 - фаза определения величины меры положения реперного слоя в скважине, находящейся в зоне смещения массива пород; на фиг.11 - то же, в скважине, расположенной за пределами зоны смещения массива; на фиг. фаза определения смещений массива пород; на фиг.13 график изменения геофизического параметра по глубине интервала регистрации в скважине, расположенной в зоне смещения массива пород в предыдущем и последующем циклах наблюдений; на фиг.И г то же, в скважине, расположенной за пределами зоны смещения пород.

Способ осуществляют следующим образом.,

С земной поверхности 1 бурят рабочую скважину 2 в пределах зоны смещений 3 массива горных пород + (фиг. 1). Затем с земной повеохности 1 дополнительно бурят опорную скважину 5 в массиве k за пределами зоны смещений 3, ограниченной поверхностью 6 нулевых смещений (фиг.2). Скважину 5 бурят глубиной не менее глубины рабочей скважины 2 для того, чтобы обеспечить возможность сопоставления результатов наблюдений по скважинам.

Во всех скважинах производят измерения геофизических параметров, например, интенсивности Т естественного

0

0

5

0

5

0

5

0

5

гамма-излучения пород. Измерения выполняют стандартными геофизическими методами с использованием каротажного зонда 7, каротажного кабеля В и аппаратуры 9 для регистрации геофизических параметров (фиг.З) По результатам измерений строят графики изменения значений регистрируемого геофизического параметра I по глубине Н рабочей скважины 2 (фиг.) и опорной скважины 5 (фиг.5). Выбирают пороговое значение 10 геофизического параметра, превышающее фоновое значение параметра по глубине скважИ - ны. По участкам кривых 11 на графиках, где измеренные значения параметров превышают пороговые значения ТО (ПИКИ на кривых), определяют местоположение реперных слоев пород 12, резко отличающихся по свойствам от свойств окружающего массива (фиг.З). Для этого определяют на графиках значения глубины скважины 2 и 5, на которых достигается пороговое значение 10 параметра I.

Выделяют во всех скважинах интервалы глубины наблюдений, ограниченных границами 13 так, чтобы в пределах каждого интервала шириной h Vih в опорной скважине 5, расположенной за пределами зоны смещения массива пород k, находилось не менее одного реперного слоя пород 12 (фиг.6), Местоположение границ 13 в массиве определяют по графикам путем предварительного выбора интервалов hg и hj на графиках и установления границ 14 регистрации геофизических параметров (фиг.7,8), соответствующих границам 13. Для достижения однозначного соответствия глубин границ ТЗ интервал лов в рабочей скважине 2 и опорной скважине 5 (фиг.6) все измерения производят последовательно одним лем 8 и на него наносят метки 15, например, магнитные, так, чтобы в момент нахождения регистрирующего каротажного зонда 7 на глубине, соответствующей границе 13, метка 15 совпадала с произвольной точкой отсчета глубины, например, уровнем земной поверхности 1 (фиг,6)„ Затем производят выполнение наблюдений за изменением глубины залегания реперных слоев путем проведения циклов наблюдений. Каждый цикл наблюдений включает в себя следующую последовательность операций. Для каждой скважины

в выделенных интервалах и в каждом выделенном реперном слое определяют величину меры положения 16 реперного слоя пород 12 как средневзвешенного значения глубины относительно границы 13 интервала глубины наблюдения, например, для верхней границы 13 по формуле

М Rn +

10

15

j X I(x)dx

qг..

} I (x) dx

где R0 - расстояние от верхней границы 13 интервала h или h( до верхней границы реперного слоя 12; х - расстояние от верхней границы реперного слоя до произвольной точки в пределах реперного слоя на чертеже не показано;- -мощность реперного слояк расстояние от верхней до нижней границы реперного слоя); 1(х) - йункция 20 распределения геофизического параметра вдоль реперного слоя.

Определяют глубину (сЬиг.9) мер положения 16 реперных слоев 12 в рабочих скважинах 2 относительно реперных слоев 12 в опорной скважине 5 как разность соответствующих этим слоям величин М мер положения 16 (фиг.

25

смещения, и его смещенное положение 17 в текущем цикле наблюдений. На фиг.13 пунктиром показан график зав симости параметра I по глубине инте вала регистрации в предыдущем цикле наблюдений, а сплошной линией - в т кущем цикле наблюдений для рабочей скважины 2. Соответствующие графики для опорной скважины совпадают во всех циклах наблюдений (фиг„14)0

Момент начала смещений фиксируют по изменению значений центральных м ментов распределения геофизического параметра по длине реперных слоев в рабочи-х скважинах, что является отражением изменения мощности реперны слоев в текущем и предыдущем циклах наблюдений.

П р и м е РО Способ реализован с дующим образом.

В зоне смещений массива пробурен рабочая скважина глубиной 800 м, вн зоны смещений массива пробурена опо ная скважина глубиной 1300 м. В обе их скважинах определены зависимости изменения естественного гамма-излуч ния массива горных пород от глубины бпределен пороговый уровень гамма-и

10,11). При этом не производят опреде-.. .

ление абсолютной глубины мер положе- 30 лучения в 5 мкр/час, и по критерию

ния (расстояния от поверхности 1 земли до меры положения 16), а совмещение границ 1 -регистрации, соответствующих границам 13, производят с использованием меток 15, например, пу- 35 тем фиксации на диаграммах записи моментов совмещения меток 15 с уровнем земной поверхности 1,

В рабочих скважинах, кроме того, определяют значение первого центрального момента распределения параметра 1(х), связанного с мощностью реперного слоя L по известным формулам

При повторении циклов наблюдений

сравнивают меяду собой глубины 1 мер положения 16 реперных слоев 12 в рабочей скважине 2 относительно мер положения t6 реперных слоев 12 в опорной скважине 5, полученные для каждого слоя в текущем (глубина 1Т) и предыдущем (глубина 1П) циклах наблюдений и по разности д этих глубин судят о величине смещений массива в пределах зоны смещений 3,

На фиг.12 пунктиром показано положение реперного слоя пород 12 в предыдущем цикле наблюдений в районе рабочей скважины 2.расположенной в зоне

превышения порогового уровня в обеи скважинах выделено три реперных сло в интервалах глубин рабочей скважи ны: 186,3-187,7 м; ,,9 м; Зб2,,5 м и три реперных слоя интервалах глубин опорной скважины 180,9-181,8 м; 339,,0 м; 353,2 35,2 м. Определено два интервала глубин наблюдения: для первого инте 4Q вала шириной 10 м (180,Э-190,0 м) для второго интервала - 16 м (339, 365,0 м). Масштаб записи зависимос гамма-излучения по глубине принят 1:20. На кабель нанесены метки, со падающие с уровнем земной поверхно ти при нахождении каротажного зонд на глубинах 180,9 м; 190,0 м; 339, 365,0 м,. Затем выполнена поинтерва ная регистрация значений естествен го гамма-излучения в двух циклах н людений о Интерпретация данных след ющая: первый реперный слой в рабоч скважине в течение периода времени между циклами наблюдений не сместил ся, второй и третий реперные слои сместились на 0,01 м, смещения нах дятся в начальной стадии, что отра жается в увеличении первых централ ных моментов.

50

5

0

5

смещения, и его смещенное положение 17 в текущем цикле наблюдений. На фиг.13 пунктиром показан график зависимости параметра I по глубине интервала регистрации в предыдущем цикле наблюдений, а сплошной линией - в текущем цикле наблюдений для рабочей скважины 2. Соответствующие графики для опорной скважины совпадают во всех циклах наблюдений (фиг„14)0

Момент начала смещений фиксируют по изменению значений центральных моментов распределения геофизического параметра по длине реперных слоев в рабочи-х скважинах, что является отражением изменения мощности реперных слоев в текущем и предыдущем циклах наблюдений.

П р и м е РО Способ реализован следующим образом.

В зоне смещений массива пробурена рабочая скважина глубиной 800 м, вне зоны смещений массива пробурена опорная скважина глубиной 1300 м. В обеих скважинах определены зависимости изменения естественного гамма-излучения массива горных пород от глубины, бпределен пороговый уровень гамма-из.. .

лучения в 5 мкр/час, и по критерию

5

превышения порогового уровня в обеих скважинах выделено три реперных слоя в интервалах глубин рабочей скважины: 186,3-187,7 м; ,,9 м; Зб2,,5 м и три реперных слоя в интервалах глубин опорной скважины: 180,9-181,8 м; 339,,0 м; 353,2- 35,2 м. Определено два интервала глубин наблюдения: для первого интер- Q вала шириной 10 м (180,Э-190,0 м) и для второго интервала - 16 м (339,- 365,0 м). Масштаб записи зависимости гамма-излучения по глубине принят 1:20. На кабель нанесены метки, совпадающие с уровнем земной поверхности при нахождении каротажного зонда- на глубинах 180,9 м; 190,0 м; 339,1м; 365,0 м,. Затем выполнена поинтерваль- ная регистрация значений естественного гамма-излучения в двух циклах наблюдений о Интерпретация данных следующая: первый реперный слой в рабочей скважине в течение периода времени между циклами наблюдений не сместился, второй и третий реперные слои сместились на 0,01 м, смещения находятся в начальной стадии, что отражается в увеличении первых центральных моментов.

0

5

Формула изобретения

1. Способ определения смещений массива горных пород, включающий бурение рабочей скважины в зоне смещений мае- сива, измерение геофизических параметров вдоль рабочей скважины, выделение реперных слоев пород по значениям геофизических параметров, периодическое определение глубин залега- ния реперных слоев рабочей скважины и определение смещений массива горных пород по изменениям глубин залегания реперных-слоев, отличающийся тем, что, с целью повышения точности способа, дополнительно бурят опорную скважину за пределами зоны смещения массива, выделяют в опорной скважине реперные слои пород, а изменения глубин залегания реперных ело-

ев рабочей скважины определяют относительно глубин залегания реперных слоев опорной скважины.

2,Способ поп„1,отличающ и и с я тем, что предварительно измеряют фоновое значение геофизических параметров, а реперные слои выделяют по величине геофизических параметров, превышающей фоновое.

3.Способ по ппо1 и 2, отличающийся тем, что устанавливают границы интервалов наблюдения, включающих не менее одного реперного слоя в опорной скважине, определяют положение средневзвешенного значения измеряемого геофизического параметра относительно границ интервалов наблюдения и принимают его в качестве глубины залегания реперных слоев.

Использование: наблюдение за смещениями массива горных пород при ведении горных работ и добыче нефти и газа. Сущность изобретения: в зоне смещений массива бурят рабочую скважину. За пределами зоны смещений бурят опорную скважину. В обеих скважинах проводят измерение геофизических параметров. По результатам измерений выделяют реперные слои пород, Реперные слои выделяют по величине геофизических параметров, превышающей фоновое значение,, Определяют интервалы глубин наблюдения в скважиг- нах, включающие не менее одного ре- перного слоя. Периодически определяют изменение глубин залегания репер- ных слоев рабочей скважины относительно глубин залегания реперных слоев опорной скважины. По изменению положения реперных слоев определяют смещения массива. 2 з.п. ф-лы, 1Д ил. (Л

/

Фиг.1

/

/

Фиг. 2

15

Фиг. 3

Фиг. 13

3 Фие,2

,м

Фиъ.М