Способ контроля напряженно-деформированного состояния массива горных пород

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИРЕСПУБЛИК АЗ 79077 Ч 3 00(57) Использова массива горных и ния: режимные н противления с системы электро лельно для режи ны горизонтал сдвижений земно ций в силу неодженное состояк геофизике, а ке и предназна- электрометричееформирования ведении горных е способы енного соающие булектродов электричеойденных ение его с массива. Недостатко ся высокая сто ограниченная во ловиях города, тельного обьем невозможность известных способов я мость проведения р можность применен язанная с наличиембуровых работ, а выделения зон проя вляетабот и ия вус- значитакже вления ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОВЕДОМСТВО СССР(71) Украинский филиал Всесоюзного научно-исследовательского института горной геомеханики и маркшейдерского дела(73) Украинский государственный научноисследовательский и проектно-конструкторский институт горной геологии,геомеханики и маркшейдерского дела(56) Авторское свидетельство СССРМ. 1000980, кл. 0 01 Ч 3/02, 1981.Авторское свидетельство СССРМ 421773, кл. Е 21 С 39/00, 1974,Изобретение относитсяименно к геоэлектроразведчено для осуществленияского контроля состояния дземной поверхности приработ.Известны электрометрическиопределения изменения напряжстояния горного массива, включрение скважин, ввод питающих эв каждую скважину, измерениеского тока пород в скважинах, прв исследуемом массиве, и сравнаналогичным током неизменного(54) СПОСОБ КОНТРОЛЯ НАПРЯЖЕННОДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯМАССИВА ГОРНЫХ ПОРОД ние; контроль состояния ород, Сущность изобретеаблюдения кажущегося сопомощью стационарной дов, используемых паралмных наблюдений величиьных и вертикальных й поверхности, 7 ил,сосредоточенных деформанозначности связи "напрянив - деформации",Наиболее близким по технической сущности к изобретению является способ определения изменения напряженного состояния горного массива в упругом режиме, основанный на изменении электропроводности горных пород, при этом оценку эффективного электрического сопротивления массива производят без нарушения его сплошности. Для этого создают электрическое поле так называемых точечных источников (питающих электродов), через которые пропускают электрический ток, При помощи измерительных электродов, подключенных к измерительному прибору, измеряют разность потенциалов ЛО между точками на профиле, где установлены эти электроды, Электроды выполнены в виде стальных стержней диаметром 1,5 - 2 см идлиной 0,5 - 1 м, которые заземляют в верхний слой земли на глубину до 20 см,Однако точность измерений по этомуспособу недостаточна из-за неидентичности расположения электродов при повторных измерениях; кроме того невозможновыделение деформируемых участков и учетареальной опасности уступообразования изза неоднозначности связи "напряженноесостояние - деформаций" и несовершенства системы расчета напряжейного состояния по электричеСкому сопротивлению наоснове сопоставительных графиков, не учитывающих индивидуальные особенности. массива,15При изучении физико-механическихпроцессов, протекающих в породных массивах, при подработке целесообразно исследовать конкретно деформации, а ненапряженное состояние, так как состояние 20породных массивов определяется не столько режимом действующих напряжений,сколько режимов взаимовлияющих деформаций.Целью изобретения является повышение достоверности контроля.Сущность способа заключается в том,что при выделении зон коррелирования изменения поверхностных сдвижений и параметров электрического поля (кажущегося 30сопротивления и анизотропии) выделяютсятолько деформируемые зоны, а отклоненияот нормального закона распределения относительно отклонений параметра электрического поля от его значения в массиве до 35подработки, ввиду чувствительности кажущегося сопротивления к изменению напряженно-деформированного состояния ивлиянию более глубоких горизонтов, позволяют прогнозировать возникновения опасных деформациИ на ранней стадии до ихпроявления на поверхности земли, Использование для измерения стационарной электрометрической установки, а такжеэлектродов в качестве реперов для измерения сдвижений позволяет устранить погрешности, связанные с неидентичностьюповторного размещения электродов, а также погрешности, связанные с определением расстояний между электродами и 50изменением этих расстояний в результатедеформаций.Массив горных пород в условиях естественного состояния характеризуется крайнедискретным распределением потенциальной энергии, Введение очистных работ вызывает энергетическое перераспределение,которое тем больше, чем интенсивнее исложнее было напряженно-деформированное состояние естественного массива, а это ведет к изменению течения естественных деформационных процессов, В основе предлагаемого способа лежит концепция концентрации деформаций при условии направленного непрерывного накопления упругой энергии в ослабленных зонах, что в ряде случаев приводит к уступообразованию. В процессе подвигания забоя лавы наблюдаются динамические деформации, периодически меняющие знак (от растяжения к сжатию и наоборот). Это приводит к раскрытию трещин растяжения или закрытию внутренних, ранее существовавших микро- и макротрещин, деформированию минерального скелета, изменению гидроситуации, что влечет за собой, с одной стороны, вариации электрического поля в широких пределах, а с другой - смещение элементов массива в сторону неизмененных пород и в сторону выработанного пространства, Объясняется это тем, что при изменении напряженно-деформированного состояния пород сдвижение идет по схеме: упругое смещение частиц -ф развитие микродеформаций в ослабленных зонах с образованием микротрещин -ф формирование макротрещин (сопровождаемое сдвигом) - разрушение части агрегатов с переориентировкой структурных элементов.При исследовании массива горных пород известными электрометрическими методами контроля можно оценить распределение напряжения в массиве вообще, но при этом невозможно судить о возникновении сосредоточенных деформаций, так как не всякая концентрация напряжения в массиве ведет к возникновению опасных деформаций земной поверхности.На фиг. 1 показана схема стационарной электрической установки: с измерителем 1, переключающим устройством 2, генератором тока 3, переключающим устройством 4 и системой электродов; на фиг. 2 - связь деформаций массива с изменением проводимости и анизотропии горных пород подрабатываемого массива; на фиг. 3 - б вариационные кривые изменения относительных отклонений удельных электрических сопротивлений и деформаций от их средних значений; на фиг. 7 - условные обозначения к фиг, 3 - 6, а именно; А - вариационные кривые изменения деформаций; Б - то же, для удельного электрического сопротивления; В - область допустимых случайных отклонений при количественной интерпретации.Способ осуществляют следующим образом.На участках, имеющих ослабленные зоны, в предполагаемой мульде сдвижения поз(Г+) = КЬ-)л 2 ч 2,у( ) Ь )41 М 2 профильным линиям, расположенных попростиранию и вкрест простирания угольного пласта закладывают стационарныеэлектроды предлагаемой конструкции.Электрод состоит из пустотелого металлического цилиндра, во внутренней полости которого проложен изолированныйпроводник, при этом нижний конец егоимеет токопроводящий элемент, Контакт сисследуемой средой осуществляется через металлический наконечник с нержавеющим покрытием, что обеспечивает полеточечного диполя, Подключение источника тока осуществляют через однополюсныйштекерный разъем, Диэлектрические (полиэтиленовые) втулки устраняют распределение электрического потенциала по всейдлине электрода, Для выполнения инструментальных наблюдений предусматривается защитная крышка с прорезью,Закладку электродов осуществляютследующим образом, Буром, имеющим диаметр на 3-5 мм меньше диаметра электрода, бурится скважина глубиной,соответствующей длине металлическогокорпуса электрода (в Донбассе до 1 м),Проводится плановая и высотная привяз 1:й электродов, Затем проводят первуюсерию инструментальных наблюдений, которая включает нивелирование и линейноугловую триангуляциюкласса,Электрометрическая установка состоитиз питающего диполя АВ, расположенногов центре, и двух осевых диполей М 1 М 2,ййг, расположенных по обестороны отАВ,При каждой расстановке электродов выполняют 4 измерения напряжения ЬОм 1 и,.ЬИрщ, ЬОм 1 м 2, ЬОюч 2 и одно измеренйесилы тока в линии АВ. По результатамизмерений вычисляют значения кажущего. ся сопротивления (КС) для установки Шлюм берже: и для Осевой дипольной установки;п(Г,) КЬф-"чч 2где К - геометрический коэффициент длясоответственных установок,10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Путем переключения увеличивают расстояние между питающими и приемными электродами, при каждой следующей расстановке электроды ММ занимают предыдущие положения электродов Мгйг, Таким образом, имеют два значения для разных АВ,При каждом разносе крестообразной установки КСДЭЗ определяют значение коэффициента анизотропии для различных глубин, При этом значения коэффициента условно относят к глубине, равной 1/4 разноса.Это позволяет при площадных электрометрических измерениях проводить хартирование различающихся по сопротивлениям пород горного массива как по площади, так и по глубине.Вышеописанные операции проводят до подработки угольного пласта с целью определения механических и электрических параметров в естественном состоянии. В процессе отработки угольного пласта производят серии измерений, цикличность которых определяют горно-геологическими условиями (скорость подвигания очистного забоя, способ крепления, глубина залегания угольного пласта, наличие тектонических нарушений и др,),Режимные измерения осуществляют в процессе отработки лавы до окончания активной стадии процесса сдвижения.В результате измерений получают механические и соответствующие им электро- метрические характеристики массива в различных стадиях процесса сдвижения,Геомеханическая интерпретация данных режимных электрометрических наблюдений проводится на основе корреляции временных изменений параметров электрического поля, а именно кажущегося удельного сопротивления р и коэффициента анизотропии А, с соответствующими измерениями параметров механических характеристик среды, а именно величины вертикальных сдвижений земной поверхности ц(мм) и величины горизонтальных сдвижений я(мм) - проекции главного вектора сдвижения на горизонтальную и вертикальную оси соответственно,Фиксируя все изменения в положениивф. ъэлектродов систематическая инструментальными наблюдениями и вариации элект 17907725 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 рического поля в процессе подвигания очистного забоя, строят карты зон растяжения и сжатия в мульде сдвижения, пониженной и повышенной активности деформационного процесса, Получают зависимость величины электрического сопротивления от величины деформирования массива, по которой определяют стадию процесса сдвижения до аномального его проявления.В результате устанавливаются закономерности изменения состояния и свойств подрабатываемого массива в пространстве и во времени, определяющие характер деформационного процесса,Изменения электросопротивления между периодами измерений колеблются в широких пределах и полностью отображают характер деформационных процессов, происходящих в напряженном массиве под влиянием сил сжатия и растяжения. Наиболее тесная корреляционная связь деформаций интервалов с изменениями электросопротивления с коэффициентом корреляции более 0,8 проявляется в подработанном массиве, где преобладают растягивающие напряжения, При сжатии вследствие большей чувствительности электрической анизотропии к процессам трещинообразования, связанным с разрушением породного массива, связь деформаций с изменением электросопротивления не столь явна, однако это обстоятельство не мешает правильной трактовке вариаций электросопротивления во времени, С целью объективного выявления закономерных изменений геоэлектрических параметров пород во времени строятся вариационные кривые изменения относительных отклонений удельных электрических сопротивлений и деформаций от их средних значений,Как видно из фиг. 3, для "невозмущенных" циклов наблюдения характерно близкое к нормальному распределение относительных отклонений от средних значений р и е . Изменения геоэлектрических параметров в начальной стадии отработки угольного пласта не выделяются на фоне случайных ошибок интерпретации, Нормальный закон распределения отклонений от среднего нарушается в момент зарождения опасных деформаций. Наблюдающиеся сочетания экстремумов на вариационных кривых указывают"на накопление массивом энергии упругих деформаций, что позволяет осуществить прогноз возникновения опасных деформаций на ранней стадии до того, как это может быть зафиксировано визуальными наблюдениями.Таким образом, осуществление контроля предлагаемым способом достаточно надежно описывает геомеханическое состояние напряженного массива, а скорость изменения электросопротивления позволяет осуществлять прогноз сосредоточенных деформаций.При этом критериями прогноза являются уровень электросопротивления по всей профильной линии, показатели уплотненности, а следовательно, и способности массива к накоплению энергии упругих деформаций.Предлагаемый способ, в отличии от прототипа, позволяет значительно повысить достоверность прогноза опасных деформационных явлений на ранней стадии их зарождения путем измерения с единой стационарной установки ряда характеристик, отражающих изменения различных параметров среды (электрических, механических), полученных на одном и том же масштабном уровне и в полностью идентичных условиях состояния исследуемой среды,Кроме того, анализ полученных параметров позволяет оценить не только качественн ые показатели протекающих процессов, но и количественные,Применение предлагаемой стационарной установки позволяет упростить технологию исследования, так как режимные измерения не требуют механического перемещения электродов по профилю, что обусловливает высокую точность снятия параметра.Формула изобретения Способ контроля напряженно-деформированного состояния массива горных пород, включающий возбуждение электрического поля в исследуемом массиве при помощи двух питающих электродов и измерение разностей потенциалов парами измерительных электродов, сравнение их с тарированными значениями параметров поля и суждение о напряженно-деформированном состоянии по результатам сравнения, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения достоверности контроля, одновременно в каждой точке измерения параметров электрического поля определяют величины горизонтальных и вертикальных сдвижений земной поверхности, выявляют участки массива с коррелированными изменениями параметров электрического поля и сдвижений, о возникновении опасных деформаций судят по отклонению от нормального закона распределения временных изменений параметров электрического поля, при этом измерения проводят стационарной электрометрической установкой, электроды которой используют в качестве реперов для измерения сдвижений, а в качестве тарированных значений используютпараметры электрического поля массива до подработки./ Ю 8 И Р 04 й йУ Я Составитель В,ШахноТехред М.Моргентал Бел ьска орректор Т,Вашкович едак зводственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101 аказ 375 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ ССС 113035, Москва, Ж, Раушская наб., 4/5