Способ контроля площади зоны разрыва горных пород

ОПИСАНИЕИЗОБРЕТЕНИЯК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ Союз СоветскихСоциалистическихРеспублик 959008(22) Заявлено 181280 (21) 3242761/18-25с присоединением заявки 1 Ч 9 -осуларственный комит СССР но лелам изобретении н открытийа опубликования описания 15.09,8 2) Авторыизобретени Нгй4ен "ЖН"СССР "; О.И.Чернов, Гт.И.Шемякин, М.В,Ку 71 Заяви Институт горного дела Сибирско отд(54) СПОСОБ КОНТРОЛЯ ПЛОЦАДИ ЗОНЫ РАЗРЬ ГОРНЫХ ПОРОДся тем,площав кото-, "анов-. "ых поо ко 2 Изобретение относится к технике контроля параметров разрыва горных пород и, в частности, предназначено для определения площади раскрытия трещины вокруг скважины.Известен способ контроля площади зоны разрыва горных пород, основанный на регистрации раскрытия трещин при гидрорасчленении и заключающийся в осуществлении электромагнитного возбуждения обсадной колонны скважины, для чего к ее устью подключают источник электромагнитных колебаний, выбирают частоту источника иэ условия сопоставимости системы скважина гидрорасчлененный участок угольного пласта с электрической однопроводной длинной линией, измеряют полное входное сопротивление нагрузки источника электромагнитных колебаний и по величине этого сопротивления судят о площади зоны гидрорасчленения угольного пласта 11.Однако этот способ позволяет осуществлять контроль за изменением пло" щади зоны гидроразрыва лишь в непроводящих породах. При хорошей проводимости, например в полиметаллических рудах, порода оказывает экранирующее воздействие и данный способ неприменим Наиболее близким к данному техническому решению является способ контроля площади зоны разрыва горных пород, в котором с помощью электроднойустановки измеряют сопротивление горных пород в зоне трещины скважины,по которому определяют площадь зоныразрыва горных пород с 2 ).В этом способе определяют сопро-тивление горных пород между трещинойи поверхностью горной выработки.Эта особенность является и недостатком указанного способа, так какизмеряется интегральный эффект"оттрещины и массива горных пброд, чтодает невысокую точность измерений.Цель изобретения - повышение точности измерений.Поставленная цель достигаетчто согласно способу контроляди эоны разрыва горных пород,ром с помощью электродной устки измеряют сопротивление горнрод в зоне трещины скважины, иторому определяют площадь зоны разрыва горной породы, размещают в скважине по обе стороны зародышевой трещины электроды и измеряют сопротивле-,ние между ними до и после разрывапороды, по соотношению которых судятоб изменении площади зоны разрыва горной породы.На фиг.1 показана схема проведения контроля площади зоны разрыва горных пород до осуществления разрыва; на фиг.2 - после осуществления 5 разрыва; на фиг.З - разбиение площади зоны разрыва на условные кольца.На фигурках приняты следующие обозначения". массив горных пород 1, скважина 2, зародышевая трещина 3, 10 пакер 4, электрод 5, труба 6, трещина после разрыва горных пород, соединительные провода 8, измеритель сопротивления 9, радиус скважины г , ширина условного кольца 5 аг сопротивление условного кольца йг,.При выполнении разрыва в массиве 1 бурят скважину 2, в которой создают зародышевую трещину 3 и по обе 20 стороны этой трещины устанавливают две пакера 4, Межпакерное пространство через трубу б заполняют жидкостью или газом и создают давление, при котором образуется трещина 7. Отметим, что разрыв горной породы можно осуществлять взрывным способом. В этом случае пакеры 4 и труба,б не нужны.При использовании пакеров 4 на их боковой поверхности устанавливают электроды в виде спирали 5, При З 0 взрывном способе образования трещины эти электроды устанавливают два раза: до и после взрыва. Электроды подсоединяют к измерителю сопротивления (мосту постоянного тока) 9 с помощью З 5 проводников 8.Данный способ основан на увеличении сопротивления между электродами 5 при образовании трещины за счет увеличения пути, по которому проте кает ток через массив от одного электрода к другому. Сопротивление между электродами условно можно рассматривать как два 45 последовательно соединенных и равных сопротивлений, одно из которых соответствует сопротивлению породы от одного электрода до кончика трещины,. а другое - от кончика трещины до другого электрода, Другими словами, каждое из двух сопротивлений представляет из себя кольцо, ограниченное окружностью скважины и кончиком тре-. щины.55Разобьем это кольцо на множество других условных колец, сопротивления которых относительно своих ограничивающих окружностей равны между собой (фиг.З), Тогда сопротивление исходного кольца равно сумме сопротивлений условных колец как последователь но соединенных. Удельное сопротивления условных колец определяются системой уравнений9 ьг йьг.,оф2 рдгдг 2 " го ф дгфУз Р м г дг+ьгГП 1 оу дг й =, п дги ЪЛ г+ьг +дг .фь + -тО 1 2 " о 1 ,где, Р , й 2, йй - удель ное сопротивление условных колец; - удельное сопротивление породы; д Г, ьг дг, - расстояния между ограничивающими окружностями условных колец; радиус скважины; коэффициент,учитывающий эффек" тивную толщину колец, Согласно условию разбиения на условные кольца В 1 В 2 В = й.Приравнивая каждое уравнение системы к первому уравнению и решая их относительно дгдг 2,дгэ дг, получим новую систему уравйенияЬг Аг 1 ф ( оф Ьг 1)0ьг ьу (г + дгф ьг 2); (,) 3ьгдг= г ьгдг +дгОчевидно, что радиус исходного кольца равен г=го+дг +ьг ф +ь1 2" или иг-г +С ьг где й - количество условных колец,дгПримем, 1:0,1, При этом,точность способа не хуже 10, что вполне достаточно. Для увеличения точнос-.ьг ти отношениеследует брать меньо, шей величййы, Используя систему уравнений (1) и выражение (2), вычислим отношение радиусов внешних окружнос- . тей условных колец к радиусу скважин ны, т.е,а1 О- значение, полученное из0 таблицы по значению и=Р- где Р - сопротивле. 2 Рние трещины и Р - сопротивление любого иэ условных колец.Коэффициент 2 в знаменателеуказывает Йато,что сопротивлениетрещины вдва 2 О раза больше сопротивления кольца, ограниченного ее кончиком и скважи- . ной. И наоборот, зная сопротивление трещины, ее радиус и радиус скважины можно определить сопротивление услов ного кольца какР2 пПри этом и определяется из таблицыЗО по значению ", где г - радиус трещины,Таким образом, по известному сопротивлению зародышевой трещины, ее радиусу и радиусу окважины, используя составленную таблицу, можно определить сопротивление условного кольца участка массива, а по сопротивлению трещины и полученному значению сопротивления условного кольца - ее радиус 4 ОПлощадь зоны трещины очевидно рав- на Так как г = 5 мм, то г - радиустрещины - должен быть равен 87 мм.Фактический радиус трещины (определенный после разрушения образца)оказался в среднем равным 93 мм. В таблице представлены результаты вычислений отношения радиусов - "0При наличии такой таблицы и зная сопротивление одного условного кольца и радиус скважины, можно по известному сопротивлению трещины определить ее радиус как.гог=г =гг 0где г - радиус трещины,Ь=Лг,Здесь форма трещины выбрана в видекруга для удобства иллюстрации расчета зоны разрыва,Как видно, в формуле по определению сопротивления условных колец взнаменателе подставлены длины окружностей,. т.е, огибающие внешних сто- , 50рон подобных фигур. В принципе, форма трещины может быть любой. Условиедля возможности применения изобрете-,ния заключается в том, чтобы форматрещины при каждой последующей стадии образования была примерно (взависимости от требуемой точности)подобна форме трещины на предыдущейстадии ее образования. Практически,требуемая точность определяется чис Олом подобных, Фигур с увеличениемкоторых можно увеличить точностьопределения зоны разрыва породы.Во многих случаях, за счет применения зародышевой трещины, трещину, 65 образованную разрывом горных породможно считать квазикруглой, и в этомслучае, правила определения площадизоны разрыва формулируются следу(0 щим образом: измеряются сопротивления до и после образования трещины, по от 3ношениюгде г - радиус зародыгЪ0шевой трещины, определяют по таблице число условных кОлец соответствующих зародышевой трещине оз, умножают это число на отношение .- , где Рйсопротивление трещинЬ; Р- сопротив" ление зародышевой трещины, и по полученному произведению определяют (по таблице) в, где г - радиус трещины, Затем определяют площадь зоны разрыва как 5=.цг Одним из основных преимуществ способа является то, что на его тОчность не влияет ни состояние, ни свойства горных пород. Действительно, какие бы коэффициенты, характеризукоие состояние и свойства горных пород, не вводить в уравнения сопротивлений условных колец, эти коэффициенты взаимно сократятся при переходе к выражению для радиуса трещины. В предлагаемом способе применены принципы подобия, согласно которым коэффициенты, учитывающие различные Факторы, у трещинс одинаковой формой одинаковы.П р и м е р . В качестве измерителя сопротивления используется мост постоянного тока. Электроды выполнены из медных полос и эалужены оловянно-свинцовым припоем. Истинные размеры трещин проверяются заливкой вних эпоксидной смолы и разрушениемобразцов после ее затвердевания. Результаты проверки показывают хорошеесовпадение истинных размеров трещин с определенными по предлагаемому способу. Так, для одного из образцов с радиусом зародышевой трещины в 10 мм и отверстием (скважиной) с радиусом в 5 мм до разрыва зафиксированно сопротивление 1,8 Ом, а после разрыва 7,2 Ом. Отношение радиусов зародышевой трещины и скважины равно -10 =2, что согласно таблице соответствует примерно 7,5 условным кольцам у заро" дышевой трещины. Умножим полученное число на отношение измеренных сопротивлений которое равно=41 6 и получим 7,5 4=30, что согласно таблице соответствует в " =17,4. Значение данного способа для горнодобывающей промышленности состоитв тси, что он позволяет оцениватькачество ведения профилактическихработ по разгрузке массива методамиобразования искусственных трЕЩиН сцелью предупреждения горных ударов ивыбросов, т.е. способствует безопасности работ в подземных условиях. Его значение усиливается тем обстоятельством, что перспектива добычи полезных ископаемых подземным способом связана с переходом на большие - глубины, где меры по защите людей и оборудования от горных ударов и выбросов являются первостепенными.СО СО ггЬс 3 О СЧ СО о СЧ о333Формула изобретения Способ контроля площади эоны разрыва горных пород, в котором с помо щью электродной установки измеряют сопротивление горных пород в зоне 5 трещины скважины, по которому определяют площадь зоны разрыва горной породы, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения точности измерений, размещают в скважине по обе 10 стороны зародышевой трещины электроды и измеряют сопротивление междуними до и после разрыва породы, посоотношению которых судят об изменении площади зоны разрыва. Источники информации,принятые во вниманиепри экспертизе1. Авторское свидетельство СССРР 662891, кл. 6 01 У 3/18, 1979.2, Авторское свидетельство СССРпо заявке 9 2940710/18-25,кл. 6 01. Ч 3/18,. 1980 (прототип).959008 орректор Г.Решет 010/62 Тираж 717 ВНИИПИ Государственного комитет по делам изобретений и открыт 113035, Москва, Ж, Раушская