Способ контроля напряженного состояния массива горных пород и устройство для его осуществления Советский патент 1993 года по МПК E21C39/00 G01V7/00 

Изобретение относится к горному делу и может быть использовано при подземной разработке полезных ископаемых для контроля напряженного состояния массива горных пород, подверженного геодинамическим явлениям типа подвижек тектонических блоков, землетрясений, горных ударов, интенсивных и др.

Аналогом изобретения является известный способ определения обрушений горного массива при взрывной его отбойке в очистных блоках, включающий проведение микрогравиметрических замеров в горных выработках, определение ускорения силы тяжести и выделение по полученным данным дефекта масс с последующим выводом о наличии в обрушаемом массиве необрушенных зон. Недостаток способа - проведение измерений только вдоль горизонталь- ных горных выработок, что весьма существенно ограничивает объем получаемой информации о поведении массива и приводит к ее искажению. Связано это, во- первых, с наличием в зонах влияния выработок локальных концентраций сжимающих или растягивающих напряжений, вносящих определенные коррективы в гравитационные параметры массива. Во-вторых, применяемая в данном способе гравиметрическая аппаратура предназначена для проведения измерений только в горизонтальной плоскости. Известным способом можно оценить напряженность вертикального вектора статического гравитационного поля, но нельзя

VJ

00 ЧЭ Os 00 СЛ

правильно определить ориентацию главных напряжений в массиве, отличающихся от вертикальнйхТу-гочййть вклад горизонтальной их компоненты найти место очага дйНа- мического явления не только в одной горизонтальной плоскости, но и в трех коорт инатных осях. В результате такой способ малоинформативен,

Известен способ контроля напряженного состоя ния массива и прогноза горных даро, включающий проведение шахтных ми крогрч йёим5ё т 0йче с Шх замеров вырабртб1 И1$1рёделение микроаномалий силы 1яжести7 тТрявление которых свидетельствует о развитии в горном массиве поей упругих деформаций сжатия и приближении момента разрушения пород - при достижений аномалиями силы тяжести некоторых критериальных значений,

.... - - . .; - -:

Недостатки прототипа те же, что и аналога - низкая информативность и недостаточная надежность бпределения трехмерного напряженного состояния массива в районах сейсмо-тектонической активности земной коры. Поэтому данный способ нашел применение на угольных и соляных месторождениях, расположенных в спокойных платформенных областях, и мало приемлем для большинства рудных месторождений.

Известно измерительное устройство гравиметра, отличающееся тем, что с целью увеличения точности измерения в него введены две пластинчатых пружины с наклеенными на них пленочными тензорезисторами, Пластинчатые пружинь сЬедйнёны с измерительной кварцевой пружиной, при деформации которой срабатывает отсчетное устройство, подсоединенное к мостовой схеме пленочных тензорезисторов. В данном устройстве наряду с положительными технологическими приемами измерений (возможностью их ав- том атйз ацйи за сГчёт применения весьма чувствйтёл ь ных теНзорезисторных датчй- ковТвк Шч енных в электрическую мостовую цепь) прослеживаются недостатки всех из- вестны х гра виметрЬв- их настроенность на регистрацию статической гравитационной напряженности, связанной только с верти- кальным вектором сил притяжения. В устройстве не предусмотрено измерение ориентации главных напряжений, что ограничивает область его применения.

Цель изобретения - повышение инфор- матйвнОети K&HTроля напряженного состоя- ния УШДШа мМГчё бки Активного массива за счет Измерения различно ориентированных компонент гравитационного поля путем применения устройства новой конструкции.

Пост: зленная цель достигается тем, что в известном способе, включающем периодические гравиметрические измерения на кон- тролируемом участке массива и

5 определение величины гравитационной аномалии, по которой оценивают изменение напряженного состояния массива, гравиметрические измерения проводят в предварительно пробуренных скважинах с

помощью двух пластинчатых чувствительных.элементов, установленных во взаимо- г1ерггёндйкулярных плоскостях, изменяют ориентацию элементов в скважине, измеряют изгибные деформации чувствительных

5 элементов при их различной ориентации, регистрируют максимальную деформацию одного из элементов, фиксируют его ориентацию и по направлению, перпендикулярному плоскости данного элемента,

0 определяют направление градиента сжатия массива, при этом в качестве сжатия, опре- деляемое по формуле:

5 . дгасЮсж () (2E b hVsmi) (1)

где AEmax - максимальное значение

приращения деформаций чувствительного

элемента; At- период между проведением

Q измерений; I, b, h - соответственно длина,

ширина .высота пластины чувствительного

элемента, м; m - масса пластины, кг; Е модуль упругости материала пластины, МПа, а п 0 знаку приращения градиента сжас тия в о времени оценивают изменения напряженного состояния массива и его . удароопасиость. Способ также позволяет определить координаты очага повышенного сжатия и оценить ориентацию главных наQ пряжений. Для этого гравиметрические измерения проводят в нескольких точках с различными пространственными координатами, по пересечению направлений градиентов сжатия, полученных в каждой точке,

лс определяют положение очага удароопасно- сти в массиве, а по направлению максимального градиента сжатия устанавливают перпендикулярное ему направление действия максимального сжимающего напряжения.

Q Для осуществления способа предлагается новое устройство, включающее цилиндрический корпус/два пластинчатых прямоугольных чувствительных элемента, консо льнь закрепленных на одном торце корпуса, и тензорес зисторы, расположенные на поверхности чувствительных элементов. Устройство снабжено досылочной штангой с ориентирующим приспособлением, чувствительные элементы установлены перпендикулярно друг другу, штанга закреплена на другом торце корпуса, а тензорезисторы размещены в центре тяжести чувствительных элементов. С целью повышения помехазощищенности устройство снабжено герметичным металлическим кожухом и виброизолирующими эластичными кольцами, кожух установлен на корпусе, чувствительные элементы размещены в кожухе, виброизолирующие эластичные кольца закреплены на кожухе, а корпус устройства выполнен из материала с низкой акустической жесткостью. Ориентирующее приспособление устройства выполнено в виде поперечной планки, жестко соединенной со штангой и сектора с угловыми делениями, установленного на штанге с возможностью свободного вращения. Анализ отличительных признаков показывает, что все они в известных ранее объектах не обнаружены. А поэтому предложенное техническое решение характеризуется рядом новых признаков, что позволяет признать его отвечающим критерию существенные отличия..

На фиг.1 показана схема ведения работ по предлагаемому способу: на фиг.2 и 3 - разрезы по устройству в статическом положении; на фиг.4-то же в динамике; на фиг.5 - приспособление для определения ориентации устройства в скважине; на фиг.6 - схема к определению местоположения очага повышенного сжатия и ориентации главных напряжений в массиве.

Рассмотрим пример реализации способа. Из выработки 1 в пункте контроля напряженного состояния массива бурят горизонтальную и вертикальную скважины 2 и устанавливают в них измерительные устройства 3 новой конструкции. Предлагаемое устройство реализует принцип направленных микрогравиметрических замеров. Оно состоит из чувствительных элементов (ЧЭ), выполненных в виде двух консольно защемленных упругих пластин 4 и 5 прямоугольного поперечного сечения, расположенных длинной стороной параллельно продольной оси устройства (скважины) и под прямым углом друг к другу, Пластины жестко.заделёны в торец массивного цилиндра 6, выполненного из материала с низкой акустической жесткостью. Они изготовлены из металла или сплава с высокими упругими свойствами, маломеняющимися под воздействием температуры или электромагнитных полей; элинвара, нива- рокса, бериллиевой бронзы. Под воздействием сил гравитации пластины изгибаются, на их поверхности появляются деформации сжатия и растяжения, что фиксируют тензо- резисторы 7 и 8 наклеенные в центре тяжести пластин вдоль их длины. Провода от тензорезисторов пропущены по центральному осевому каналу 9 (который после сборки герметизируют мастикой) и идут на измеритель деформаций, например, типа ИДЦ-1 (на схеме не показан). На торец цилиндра 6 5 с внутренней стороны наворачивается металлический кожух 10, герметически закрывающий ЧЭ и выполняющий роль экрана при попадании устройства в поле электромагнитного излучения. На кожух 10 надева0 ют виброизолирующие эластичные (резиновые) кольца 11, а на торец кожуха наклеивают резиновую бляшку 12, служащие для гашения в.ибраций устройства и его ЧЭ при ударах, поворотах или сейсмических

5 колебаниях массива. К внешнему торцу цилиндра 6 крепится доставочная штанга 13, посредством которой измерительное устройство вводится в скважину. На противоположном конце штаги, выступающем из скважины, имеется приспособление для оп0 ределения ориентации устройства в виде поперечной планки 14 и сектора 15 с угловыми делениям, который крепится на стенке выработки. Перед тем, как приступить к работе, устройство должно быть оттарирова5 но. Для этого на земной поверхности (в районе изостазии) снимают показания с чув-. ствительных элементов при различной ориентации устройства и определяют базовые значения деформаций, соответствующие

0 различным углам поворота устройства, например, Е 1° (при ), Е 2°)при ), Ез° (при ) и т.д. Базовые значения деформаций соответствуют случаю, когда напряжения горного массива равны нулю.

5, . . .

Техника замеров микроаномалий сил гравитации в шахтных условия заключается в следующем. Измерительное устройство помещают в скважину. Таких скважин должно

0 быть несколько, их бурят из одного пункта стоянки в горизонтальной и вертикальной плоскостях. Размеры полигона гравиметрических наблюдений выбираются с учетом размеров основных тектонических блоков,

5 определяющих структуру месторождения. После введения устройства в скважину меняют ориентацию его в скважине и снимают показания деформации с тензорезисторов Јi, &i. Јз и т.д., соответствующих тех же yr0 лам а, при которых были определены базовые зна.чения. Далее по разности Јi-Ј Е2 & Јз-Ј$ . и т.д. определяют прирост деформаций Де ч. Дег, АЈЗ.. . AЈI по одному и по другому ЧЭ. Затем анализиру- ют полученную информацию и определяют ориентацию устройства, при которой по одному ЧЭ было получено максимальное значение прироста деформации Демах а по

другому - минимальное Asmin.Далее по этому ориентации ЧЭ и направлению его отклонения определяют направление градиента гравитационной напряженности массива grad g. Это достигается за счет учета знака приращения деформации тензорезистора. Так как он наклеен только на одной стороне пластины, то дополнительный ее изгиб в одну или другую сторону, происходящий вследствие притяжения ЧЭ к очагу повы- шейного сжатия в массиве, будет вызывать либо сжатие, либо растяжение тензорезистора. По этому знаку приращения деформации и определяют направление градиента гравитационной напряженности массива. Например, еслитензорезисторЧЭ 4 растягивался, то вектор gradg будет направлен вниз (см. фиг.4),

Обработка полученных результатов построена на следующих принципах. В каж- дом пункте измерений выделяется направление максимальной гравитационной аномалии (повышения плотности массива) и определяется величина градиента д. При этом исходят из того, что прирост де- формации тензодатчиков As происходит пропорционально величине приращения ускорения силы притяжения 5д, а градиент ускорения силы притяжения равен градиенту сжатия массива или ... .

gra dg grad Стсж. (2)

ЧЭ представляет собой консояьно защемленную пластину, на которую действует равномерно распределенная нагрузка в виде собственного веса . Пластина под действием этой нагрузки деформируется, Деформации в любой точке пластины определяются выражением : .(3)

Напряжение на поверхности пластины могут быть вычислены по формуле ОЧИизг/W, (4)

где W- момент сопротивления сечения

пластины W

blf I

Q: Мизг - изгибающий 45

датчик), равен

я

момент в точке, где мы измеряем деформацию ( в центре тяжести, где наклеен тензо. mgl 4

Дд ДЈ3ml

(5)

Подставляя выражения из (4) в (3) и оперируя приращениями Ад и ДЕ , получаем формулу для рпределения Дд

2Ebh2

Далее переходя от приращения гравитационной напряженности к ее градиенту (скорости приращения), получаем исходную

форму для вычисления градиента сжатия массива:

grad Стсж

2ЕЫ-Г

3ml

(6)

0 5

0 5 0

5

(3

5

0

5

В определенной точке пространства вектор градиента сжатия массива может совпадать с вектором главного нормального напряжения а,. В этом случае ЧЭ устройства зафиксирует наименьшее значение grad (7сж. Данное положение позволяет произвести локацию опасного очага и уточнить направление действия. ел Пример реализации этого подхода показан на фиг.6, где приведена вертикальная проекция шахтного поля. В пунктах А, В, С, Д были заложены гравиметрические/устройства и определены направления максимального градиента сжатия массива. Далее эти направления экстраполируют (продолжают в пространстве) и по месту их пересечения (точка О) определяют координаты очага повышенного сжатия. Такой подход позволяет выделить район шахтного поля на границе взаимодействия двух тектонических, блоков, в пределах которой возможно появление крупного горного удара или техногенного землетрясения. Направление же действия главного нормального (максимального сжимающего) напряжения 7i будет перпендикулярно направлению градиента сжатия массива в точке с наибольшим значением grad стсж. Например, если это точка Д (та, в которой были проделаны ранее описанные замены и вычисления), то ориентация отбудет направлена под углом 30° к горизонту,

Наблюдения за изменениями гравитационного поля ведут в течении длительного времени. Измерения производятся периодически, например, как в прототипе - раз в месяц. В процессе таких долговременных наблюдений следят за изменениями градиента сжатия массива во времени, сравнивая вычисленные каждый раз значения с предыдущими. По знаку и величине приращения градиента сжатия массива grad стсж судят об изменениях напряженного состояния. При этом при положительных значениях приращений grad Ob делают вывод об усилении сжатия и опасности геодинамического явления в массиве, а при отрицательных значениях приращений grad осж об уменьшении сжатия и разгрузке массива. Таким образом производится качественный анализ напряженного состояния. В принципе возможен, и количественный анализ напряженного состояния массива. При достаточно большом объеме наблюдений и сопоставлении полученных данных с фактическими признаками динамического явления можно установить

критериальные значения градиента сжатия и его приращений, свидетельствующих о предельном напряженном состоянии массива и возможности проявления горного удара, землетрясения, интенсивного сдви- жения пород.

Положительный эффект от применения предлагаемого способа и устройства обеспечивается следующим. Известно, что гео- динамически активный горный массив характеризуется подвижками крупных тектонических блоков по разломам в различ- ных направлениях: горизонтальном, вертикальном, сложном наклонном. Такие подвижки приводят к динамичному изменению напряженного состояния горных пород и, как результат этого, к аномалиям их плотности. Все это проявляется в весьма сложном характере гравитационного поля, которое помимо основной (глобальной) компоненты силы земного притяжения, действующей строго вертикального, имеет ряд микросоставляющих (микроприращений), зависящих от взаиморасположения и взаи- модействия тектонических блоков в данном районе массива и имеющих произвольное направление действия. Все известные гравиметрические устройства улавливают только изменения вертикальной составляющей напряженности гравитационного состояния массива. Предлагаемое же устройство в виде консольно защемленных пластин различной ориентации и способ его применения позволяют регистрировать, в принципе, лю- бые составляющие гравитационного поля и следить за их изменениями во времени, Это дает возможность получить более полную, дифференцированную и достоверную информацию об измерениях сил гравитации и напряженном состоянии массива ввиду прямой связи между ними. Появление повышенных сжимающих напряжений приводит к деформациям сжатия и уплотнению пород, а снижение сжимающих напряжений, наоборот, уменьшает деформации сжатия плотность пород. Все эти изменения фиксируются по отклонению изгибающихся пластин Ч Э в переменном поле сил гравитации. Хотя в самом произвольном случае пласти- ны ЧЭ испытывают условия косого изгиба, однако тензорезистор ЧЭ реагирует только на одну составляющую вектора д, перпендикулярную плоскости упругой пластины. Вращением же пластины (изменени- ем ориентации устройства в скважине) находятся деформаций, соответствующие случаю, когда вектор g направлен перпендикулярно одной из главных осей жесткости

сечения пластины. Тем самым достигается точность замеров.

Кроме того, применение различно ориентированных пластин направленного (антенного) действия позволяет не только определять направление градиента сжатия массива (направление, в котором это сжатие усиливается), но и по замерам его в нескольких точках пространства произвести локацию очага повышенного сжатия. Это дополнительно расширяет получаемую информацию о геодинамической активности массива горных пород.

Если сравнивать предлагаемый способ, например, с геодезическим способом получения информации о массиве путем создания крупномасштабного полигона на поверхности Земли и замеров линейных перемещений блоков, то помимо повышения информативности и достоверности контроля за состоянием массива предлагаемый способ дает большой экономический эффект, получаемый в результате значительного сокращения затрат на его осуществление. По сравнению же с геофизическими способами измерений предлагаемый способ также имеет ряд преимуществ как по помехозащищенности, так и в смысле эконо.мии применяемых материалов и трудовых затрат.

Все вышесказанное позволяет сделать вывод и получении положительного эффекта при применении предлагаемого изобретения..

Формула изобретения

1. Способ контроля напряженного состояния массива горных пород, включающий периодические гравиметрические измерения на контролируемом участке массива и определение величины гравитационной аномалии, по которой определяют изменение напряженного состояния массива, о т л и ч а ю щ и и с я тем, что, с целью повышения информативности контроля, гравиметрические измерения проводят в предварительно пробуренных скважинах с помощью двух пластинчатых чувствительных элементов, установленных во взаимо перпендикулярных плоскостях, изменяют ориентацию элементов в скважине, измеряют изгибные деформации чувствительных элементов их различной ориентации, регистрируют максимальную деформацию одного из элементов, фиксируют его ориентацию и по направлению, перпендикулярному плоскости данного элемента, определяют на- правление градиента сжатия массива, при этом в качестве величины гравитационной аномалии принимают значение градиента сжатия, определяемое по формуле

дгааССж(АЕмэх /At) (2ЕЫт /Зт1), где АЈМЗКС - максимальное значение

приращения деформаций чувствительного

элемента;

д t - период между проведением изме рений; .

1. b, h - соответственно длина, ширина, высота пластины чувствительного элемента, м;

m - масса пластины, кг;

Е - модуль упругости материала пластины, МПа, а по знаку приращения градиента сжатия во времени оценивают измерения напряженного состояния массива и егоуда- роопасность,

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что гравиметрические измерения проводят в нескольких точках с различными пространственными координатами по пересечению направлений градиентов сжатия, полученных в каждой точке, определяют положение очага удароопасности в массиве, а по направлению максимального градиента сжатия устанавливают перпендикулярное ему направление действия максимального сжимающего напряжения. :

3. Устройство для контроля напряженного состояния массива горных пород, включающее цилиндрический корпус, два

0

5

0

5

0

пластинчатых прямоугольных чувствительных элемента, консольно закрепленных на одном торце корпуса, и тензорезисторы, расположенные на поверхности чувствительных элементов, отличающееся тем, что, оно снабжено досылочной штангой с ориентирующим приспособлением, при этом чувствительные элементы установлены перпендикулярно друг другу, штанга закреплена на другом торце корпуса, а тензорезисторы размещены в центре тяжести чувствительных элементов,

4. Устройство по п.З, отличающее- с я тем, что, с целью повышения помехозащищенности, оно снабжено герметичным металлическим кожухом и виброизолирую- щими эластичными кольцами, при этом кожух установлен на корпусе,чувствительные элементы размещены в кожухе, виброизо- лирующие эластичные кольца закреплены на кожухе, а корпус выполнен из материала с низкой акустической жесткостью.

5. Устройство по пп.З и 4, о т л и ч а- ющееся тем, что ориентирующее приспособление выполнено в виде поперечной планки, жестко соединенной со штангой, и сектора с угловыми делениями, установленного на штанге с возможностью свободного вращения.

Фиг. /

;; ю

А

-

Использование: определение напряженного состояния горного массива при его разработке. Сущность изобретения: устройство для контроля напряжённого состояния массива содержит два пластинчатых чувствительных элемента (ЧЭ), ЧЭ консольно закреплены в торце корпуса перпендикулярно друг другу. В центрах тяжести ЧЭ наклеены тензорезисторы. Корпус размещен в герметичном кожухе. На кожухе установлены виб- роизолирующие. эластичные кольца. Устройство размещают в скважине, изменяют его ориентацию. Измеряют изгибные деформации ЧЭ. Фиксируют максимальную деформацию одного из ЧЭ. По величине и направлению данной деформации определяют градиент сжатия массива. По изменению градиента сжатия массива во времени оценивают удароопасность массива. Измеряя градиент сжатия массива в нескольких точках определяют положение очага ударо- опасности. 4 з.п.ф-лы, 6 ил. с/ С

13

N

/1-/I

8 Фиг. 1

/Р трТР

Фиг.З

-

Na

Р

/2

V/

ь6.