Способ прогноза аномальных геодинамических явлений в горном массиве Советский патент 1993 года по МПК E21F5/00 

Изобретение относится к горному делу иожет быть использовано для прогноза ге динамическйх явлений (горных ударов, ев фхвзрывов. внезапных выбросов, очагов сейсмических толчков) при отработке угольных, калийных и других месторождений полезных ископаемых.

Известен способ прогноза удароопас- ности массива горных пород, включающий бурение скважин в слоистом массиве, определение хрупкости каждого слоя и интенсивности акустической эмиссии при бурении. Сигналы принимают только в гра- нищах слоя, по которому бурят скважину, и в диапазоне частот, соответствующих длине волны, меньшей двухкратной мощности са- мопо тонкого слоя. Такой прием сигналов проводят одновременно в двух точках, которые располагают от забоя скважины на

рас

стоянии, большем ее пятикратного диаметра, и одна от другой, на расстоянииТюль- шем половины диаметра скважины.

С учетом акустического коэффициента затухания и расстояния между точками измерения исключают совпавшие импульсы по амплитуде и фазе. Получают по каждому слою распределение интенсивности акустической эмиссии в краевой зоне и сопоставляют его между собой по всем слоям. При наличии по всем слоям концентрации интенсивности в краевой зоне в сравнении с интенсивностью в глубине массива прогнозируют удароопасность.

Недостатком способа является большой обьем бурения, большое количество операций, и как следствие, высокая трудоемкость прогноза, что приводит к значительному снижению оперативности и достоверности способа.

Известен способ исследования зон повышенных напряжений в массиве горных

v| О

СО

о

Qs

кэ

пород, включающий бурение скважин и измерение количества энергии, затрачивав- мой на бурение 1 пог.м. При величине горного давления выше нормальной затраты энергии резко возрастают.

Недостатком способа является невозможность учета явления локализации деформации в горных породах, при котором даже в условиях концентрации высоких напряжений энергия, затрачиваемая на буре- ние 1 пог.м скважины оказывается аномально низкой, так как величина пластически Деформируемого объема в отдельных случаях пренебрежимо мала. При этом достоверность определения зон повышенных напря- жении резко снижается.

Наиболее близок к предлагаемому способ определения степени, удароопасности угольных пластов, включающий поинтер- вальное бурение Скважины и на каждом ин- тервале определение выхода буровой мелочи и ее распределение по хрупкости, времени бурения интервала, скорости подачи бурового инструментаи сёйсмЪакустйче-- с кой активности. По каждому показателю строят графит его изменения по длине скважины, по которым устанавливают максимальное значение показателя и расстояние от кромки забоя до максимального значения показателя, полученные значения пересчм- тывают на напряжения и по ним устанавливают степень удароопасности по каждому показателю путем сравнения полученных данных с критериальными.

Основным недостатком способа явля- ется то, что ни один из определяемых параметров сам по себе не является прямым критерием наличия ни зон концентрации напряжений, ни удароопасности, Комплексный учет большого количества параметров увеличивает трудоемкость способа, но не повышает достоверности прогноза, что препятствует широкому применению способа. Цель изобретения - повышение достоверности, оперативности и снижение трудоемко- сти прогноза аномальных геодинамических явлений.

Поставленная цель достигается тем, что согласно способу прогноза геодйнамиче- ских явлений, включающем бурение сква- жины, и выделение интервалов измерений по длине скважины, при бурении скважины поинтервально определяют энергоемкость разрушения и жесткость горных пород, сравнивают жесткость и энергоемкость последу- ющего и предыдущего смежных интервалов, при этом, если последующий интервал имеет жесткость большую, чем предыдущий, а энергоемкость меньшую, то данный интервал считают границей входа в зону опасную по

развитию аномальных геодинамических явлений (АГДЯ).

.Новизна предлагаемого способа заключается в том, что при бурении скважины поинтервально определяют акустическую жесткость и энергоемкость разрушения горных пород, сравнивают друг с другом смежные интервалы по акустической жесткости и энергоемкости, и считают границей входа в опасную зону условие, когда из двух смежных интервалов более жесткий интервал имеет энергоемкость меньшую, чем предыдущий.

Из открытой печати неизвестно об их использовании в качестве критериев прогноза геодинамических явлений при разработке месторождений твердых полезных ископаемых.

Слои с большей акустической жесткостью (компетентные слои) являются концентраторами напряжений и определяют запасы энергии в горном массиве. Авторами установлено, что в отличие от общепринятого мнения прочность, пластичность и энергоемкость разрушения пород с ростом всестороннего давления не возрастают, а изменяются периодически при определенных давлениях эти параметры имеют аномально низкие значения. При этом разница между накопленной энергией и энергоемкостью разрушения расходуется на кинетическую энергию разлета (отброса/выброса) разрушенного материала. Энергоемкость разрушения компетентных слоев песчаника, например, в ряде случаев оказывается меньше не только энергоемкости менее жестких слоев, но и энергоемкости слоев угля и глинистого сланца.

Способ не требует разработки новой аппаратуры и не вносит изменений в технологию ведения проходческих работ.

Пример. Способ прогноза аномальных геодинамических явлений по энергоемкости разрушения акустически жестких (компетентных) слоев осуществляется следующим образом. Из забоя выработки бурят по ее оси разведочную скважину диаметром d S 80 мм. Длина скважины не менее 15м.

К пускателю электродвигателя бурового станка подключают самопишущий амперметр Н392, входящий в регистрирующий блок аппаратуры УПКЛ (контроля резинот- росовых лент) во взрывоискробезопасном исполнении, либо самопишущий киловатт- метр Н350. С помощью указанной самопишущей аппаратуры в процессе бурения скважины фиксируют на диаграммной ленте изменение величины тока статора И, либо потребляемой мощности NI, зависящих в

i. - - .

основном только от энергоемкости разрушения породы.

. На фиг, 1 приведен фрагмент записи из- фенения во времени потребляемой мощно- :ти Ni при бурении скважины; на фиг.2 - овмещенный график изменения жестко- JTH и энергоемкости разрушения подлине скважины.

В связи с тем, что скорость лентопро- тйжки фиксирована (1800 мм/час), энергоемкость разрушения при бурении t погонного Metpa (п.м.) скважины I может быть оценена любым образом (например, с помощью планиметра как площадь под кривой изменения мощности NI за чистое время бурения 1 п.м. скважины t Упрощенно:

I (Nt - Nxx) t,

гд4 Nxx - мощность холостого хода.

При неизменных параметрах бурения Nx)| const (см.фиг. 1).

j По полученным данным с учетом рабочих характеристик двигателя бурового станка определяют фактическую энерго- емкюсть разрушения породы при бурении и строят график ее изменения по длине скважины, приведенный на фиг.2.

1о окончании бурения в скважину с по- монфю досылочных штанг или бурового ста- ва досылают скважинный зонд для акустического каротажа (типа УЗС-72) с неподвижным датчиком-излучателем и подвижным датчиком-приемником типа УДЩ1-37П. Изменяя базу между датчиками осуществляют продольное профилирование скважины и определение акустической жестфсти. Вместо применения подвижных датчиков возможно применение трех не- подвиркных датчиков-приемников установленных на разных расстояниях от излучателя по циклоиде.

По полученным данным строится график изменения квадрата скорости акустиче- ской (деформационной) волны Е длине скважины (фиг,2), который при неизменной плотности р адекватно отражает изменение упругих свойств (жесткости) материала. По результатам многочисленных

наблюдений плотность одного и того же слоя горных пород изменяется не более чем на 5%.

Производится совмещение графиков изменения жесткости и энергоемкости разрушения по длине скважины. Так, на фиг.2 приведен совмещенный график изменения квадрата скорости акустической (деформационной) волны и энергоемкости разрушения по длине скважины, полученный в

условиях шахты им. Стаханова ПО Красно- армейскуголь при проведении вентиляционного квершлага 1 гор. 1136 м блока № 4. Из фиг.2 видно, что на интервале отметок 3,0-4,5 м возрастает жесткость, а энергоемкость разрушения уменьшается. Следовательно, можно утверждать, что этот интервал является опасной зоной по АГДЯ.

Предлагаемый способ по сравнению с прототипом позволяет определять жест кость и энергоемкость разрушения пород в процессе бурения скважины (in situ) с автоматической регистрацией и последующей обработкой информации.

Прогноз выполняется в реальном масштабе времени, оперативно, При выполнении прогноза в нескольких з.абоях целесообразно использовать ПЭВ.М. Указанная последовательность выполнения операций позволяет достоверно с высокой точнс отью (до 1 м) оп ределять границы входа в опасную зону и выхода из нее.

Формула изобретения Способ прогноза аномальных геодинамических явлений в горном массиве, включающий бурение скважин, выделение интервалов измерений по длине скважин, оценку аномальности геодинамических явлений, отличающийся тем, что, с целью повышения точности оперативности и снижения трудоемкости определения аномальных геодииамических явлений в горном массиёе, при бурении скважин на каждом интервале определяют энергоемкость разрушения и жесткость горных пород, сравнивают энергоемкость разрушения и жесткость последующего и предыдущего интервалов и при жесткости горных пород последующего интервала больше жесткости горных пород предыдущего интервала, а энергоемкости разрушения последующего интервала меньше энергоемкости разрушения предыдущего интервала, последующий интервал считают границей входа в зону опасную по аномальным геодинамическим явлениям.. ...........

Г

feet

V™.L