Способ контроля напряженного состояния горного массива

 

1. СПОСОБ КОНТРОЛЯ НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ ГОРНОГО МАССИВА, основанный на.измерении магнитной составляющей естественного электромагнитного поля вокруг выработки при перемещении измерителя с приемной антенной вдоль выработки, определении уровня нормального поля в выработке . и выделении -участков массива, в которых величина магнитной составляющей превышает уровень нормального поля, при этом наиболее напряженными считают те участки, где амплитуда магнитной составляющей достигает максимальных значений, отличающийся тем, что, с целью повыше-, кия точности и информативности измерений , магнитньй момент антенны ориентируют параллельно оси выработки и производят измерения амплитуды горизонтальной (Hj() магнитной составляющей естественного электромагнитного поля, затем в наиболее напряженных участках ориентируют магнитньй момент антенны перпендикулярно оси.вьфаботки и поворачивают его вокруг этой оси на .угол, при котором регистрируют максимальную амплитуду поперечной составляющей напряженности магнитного поля (Hf..) и этот miAKC угол (. ) принимают за направление на наиболее напряженный участок контура выработки, a за направление действия главной компоненты тензора напряжений в данной выработке принимают угол (д, ) при котором регистрируют минимальное значение поперечной составляющей напряженности магнитного поля (). 2.Способ по п. 1, отличающ и и с я тем, что, с целью повышения точности измерений, измерения проводят на ряде фиксированных частот , выбирают частоту, на которой для данного типа пород регистрируют )максимальную полную амплитуду магнитной составляющей и дальнейшее измерение проводят на этой частоте. 3.Способ по п. 1, о т л и ч a ющ и и с я тем, что, с целью уточнения направления действия главных компонент тензора напряжений в массиве пород, измерения проводят в двух ортогональных выработках, пройденных в однотипных породах, измеряют в каждой из них направления действия главных коьтонент тензора напряжений и f,, и значения соответЧллмн 2 лини ствующих ИИ амплитуд «( Чг/лин и определяют азимут полного плоского тензора напряжений по формуле CXrCi H,,, COSu Т1 /иин li cos,, Т2МИН где A - азимут оси первой выработ61 ки.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

Всю E 21 С 39/00

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ABTOPCHOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 3502590/22-03 (22) 20. 10. 82 (46) 23. 07. 84. Бюл. ¹ 27 (72) В.А. Смирнов, А. П. Скакун и В.Г.Пущанский (71) Всесоюзный ордена Трудового

Красного Знамени научно-исследовательский институт горной геомеханики и маркшейдерского дела (53) 622.289(088.8) (56) 1. Авторское свидетельство СССР

¹ 829933, кл. E 21 С 39/00, 1981.

2. Авторское свидетельство СССР № 821698, кл. Е 21 С 39/00, 1978. (54)(57) 1. СПОСОБ КОНТРОЛЯ HAIIPSI}КЕННОГО СОСТОЯНИЯ ГОРНОГО ИАССИВА, основанный на,измерении магнитной составляющей естественного электромагнитного поля вокруг выработки при перемещении измерителя с приемной антенной вдоль выработки, определении уровня нормального поля в выработке и выделении участков массива, в которых величина магнитной составляющей превышает уровень нормального поля, при этом наиболее напряженными считают те участки, где амплитуда магнитной составляющей достигает максимальных значений, о т л и ч а ю— шийся тем, что, с целью повьппе-. ния точности и информативности измерений, магнитный момент антенны ориентируют параллельно оси выработки и производят измерения амплитуды горизонтальной (НХ) магнитной составляющей естественного электромагнитного поля, затем в наиболее напряженных участках ориентируют магнитный момент антенны перпендикулярно оси. выработки и поворачивают его,„SU„„ t 104210 A вокруг этой оси на .угол, при котором регистрируют максимальную амплитуду поперечной составляющей напряженности магнитного поля (Н М„„©„с ) и этот угол („ ) принимают за направление на наиболее напряженный участок контура выработки, а за направление действия главной компоненты тенэора напряжений в данной выработке принимают угол (Ч,„„ ), при котором ре- . гистрируют минимальное значение поперечной составляющей напряженности магнитного поля (НЧ}}„,„„), 2. Способ по п. 1, отличаюшийся тем, что, с целью повышения точности измерений, измерения проводят на ряде фиксированных частот, выбирают частоту, на которой для данного типа пород регистрируют

}максимальную полную амплитуду магнитной составляющей и дальнейшее измерение проводят на этой частоте.

3. Способ по п. 1, о т л и ч а юшийся тем, что, с целью уточнения направления действия главных компонент тензора напряжений в массиве пород, измерения проводят в двух ортогональных выработках, пройденных в однотипных породах, измеряют в каждой из них направления действия главных компонент тензора напряжений

Ч„ „„ и Ч, „„ и значения соответствующих им амплитуд Н, Н

1 Мчи 2 Мин и определяют азимут полного плоского тензора напряжений по формуле о}гс Н «5

/1 91мин 1мин

Н cos

У2мин 9 мин где А — азимут оси первой выработВ1 ки.

1 11042

Изобретение относится к горному делу и предназначено для выявления наиболее напряженных участков массива пород вокруг горных выработок и определения направления действия главных компонент тензора напряжений.

Известен способ контроля напряженного состояния горного массива, основанный на измерении вертикальной составляющей напряженности естественного электромагнитного поля вокруг выработки при перемещении вдоль скважины, пробуренной из выработки, приемной магнитной антенны и сравнении полученных значений с величиной вергикальной составляющей, полученной в нетронутом массиве вне зоны влияния выработки P1).

Недостатками этого способа являются высокая трудоемкость работ, связанных с бурением скважин и ограниченная область исследования.

Известен способ контроля напряженного состояния горного массива, основанный на измерении магнитной составляющей естественного электромагнитного поля вокруг выработки при перемещении измерителя с приемной антенной вдоль выработки, определении уровня нормального поля в выработке

ЗО и выделении участков массива, в которых величина магнитной составляющей превышает уровень нормального поля, при этом наиболее напряженными считают участки, где амплитуда магнитной составляющей достигает максималь-З5 ных значений 2 j.

Недостатками данного способа являются низкая точность измерений, связанная с воздействием промышленных помех, и недостаточная информатив40 ность, обусловленная невозможностью определения направления действия ,главных компонент тензора напряжений.

Цель изобретения — повышение точности и информативности измерений.

Указанная цель достигается тем, что согласно способу контроля напряженного состояния горного массива, основанному на измерении магнитной составляющей естественного электромагнитного поля вокруг выработки при перемещении измерителя с приемной антенной вдоль выработок, определении уровня нормального поля в выработке и выделении участков массива, в которых величина магнитной составляющей превышает уровень нормального поля, при этом наиболее нап70 2 ряженными считают те участки, где амплитуда магнитной составляющей достигает максимальных значений, магнитный момент антенны ориентируют параллельно оси выработки и производят измерения амплитуды горизонтальной (Н ) магнитной составляющей есХ тественного электромагнитного поля, затем в наиболее напряженных участках ориентируют магнитный момент антенны перпендикулярно оси выработки и поворачивают его вокруг этой оси на угол, при котором регистрируют максимальную амплитуду поперечной составляющей напряженности магнитного поля (Н ) и этот угол (9д ) мсикс принимают за направление на наиболее напряженный участок контура выработки, а за направление действия главной компоненты тензора напряжений в данной выработке принимают угол (Ч „ ); при котором регистрируют минйМальное значение поперечной составляющей напряженности магнитного поля (Н „) .

Кроме того, измерения проводят на ряде фиксированных частот, выбирают частоту, на которой для данного типа пород регистрируют максимальную полную амплитуду магнитной составляющей и дальнейшие измерения проводят на этой частоте.

С целью уточнения направления действия главных компонент тензора в массиве пород измерения проводят в двух ортогональных выработках, пройденных в однотипных породах, измеряют в каждой из них направления действия главных компонент тензора ряжений м„„ н Yг „ н и значе2мин ния соответствующих им амплитуд мин М2 мут полного плоского тензора напряжений по формуле

Н cos

Мамин Ч мин м 81 " Н cos 2мин Ч2 мин где А - азимут оси первой выра81 ботки. 2 ° 1 3 поясняют сущность предлагаемого способа.

На фиг. поясняется проведение измерений горизонтальной составляющей напряженности магнитного поля и приняты следующие обозначения: 1 приемная магнитная антенна! 2 — измеритель напряженности магнитного поля; ПК1, ПК2 и ПКЗ вЂ” пикеты в выра3 1104270 ботке, где производят измерение напряженности высокочастотного естественного электромагнитного поля;

Н вЂ” горизонтальная магнитная соск тавляющая напряженности электромагнитного поля вдоль оси Х, параллельной оси выработки; Н вЂ” поперечная магнитная составляющая напряженност . электромагнитного поля в плоскости, ортогональной оси Х; Н о — уровень .10 напряженности нормального магнитного поля в выработке.

На фиг. 2 поясняется проведение измерений поперечной магнитной составляющей напряженности электромагнитного поля Н и приняты следующие обозначения: V; и H y, — соответственно угол поворота магнитной антенны и значение соответствующей этому углу амплитуды поперечной магнитной 20 составляющей напряженности электромагнитного поляэ Ч и гм„н — сомакс ответственно углы поворота антенны до получения максимального Н и

» макс минимального Н, значений амплитуды 25

Чмин поперечной магнитной составляющей напряженности электромагнитного поля, направление действия главных макс компонент тензора напряжений в плоскости вращения магнитной антенны.

На фиг. 3 поясняется определение азимута полного плоского тензора напряжений А и приняты следующие обозначения: А-А и Б-Б — сечения, в которых производят измерение поперечной магнитной составляющей электромагнитного поля Ав1, А вХ вЂ” ази уты выработок, в которых производят измерения поперечной магнитной составляющей напряженности электромаг- 40 нитного поля относительно направления Север — Юг, Ну„ „ и Н (г„ соответственно максймальное и мини45 мальное значения амплитуды оперечной магнитной составляющей напряженности электромагнитного поля в сечении А-А; — угол поворота при1мин емкой магнитной антенны до получения минимального значения амплитуды поперечной магнитной составляющей напряженности электромагнитного поля в сечении А-А, Н

= Н . соя» » 1мин Жасмин . мин проекция на горизонтальную плоскость минимального значения амплитуды попоперечной магнитной составляющей напряженности электромагнитного поля с 1,иакс H Н 1 мин соответственно максимальные и минимальные значения амплитуды поперечной магнитной составляющей напряженности электромагнитного поля в сечении Б-Б; / „ — угол поворота приемной магнитной антенны до получения минимального значения амплитуды поперечной магнитной составляющей напряженности электромагнитного поля в сечении Б-Б, НЧ .,= Н х

1 мин 2мин х cos» — проекция на горизонталь мин ную плоскость минимального значения амплитуды поперечной магнитной составляющей напряженности электромагнитного поля в сечении Б-Б.

Э

Способ осуществляется следующим образом.

Магнитную антенну 1 (фиг. 1) подключают к портативному измерителю 2 напряженности магнитного поля, ее магнитный момент ; ориентируют вдоль оси Х, параллельной оси выработки, и проводят измерение напряженности магнитного поля Нк в начальной точке профиля — пикет 1 (ПК 1) ° При использовании рамочной антенны 1 (фиг. 1) плоскость витков рамки располагается ортогонально оси выработки Х. Измерения напряженности магнитного попя

Н проводят с шагом Х = 2 м (расстояние между пикетами ПК 1 — ПК 3 и т.д.), при этом положение антенны относительно стенок выработки во всех точках сохраняют на одном уровне (средней части выработки по высоте и на одинаковом расстоянии от ее бортов) и при одной и той же ориентации магнитного момента. Полученные значения горизонтальной магнитной составляющей напряженности электромагнитного поля Нд, в точках профиля

Х; записывают в журнал наблюдений.

Если выработкой вскрыты литологически однотипные породы, то уровень нормального поля рассчитывают по всем точкам профиля.(пикетам) по формуле где — число пикетов.

Затем показания Н>, которые отлича50 ( ются от Н>о более чем в 2,5 раза, отбрасываются как аномальные при уровне вероятности р 0,1. Производят повторное вычисление Н „ по значениям оставшихся Н и получен55

Ное значение Н„о принимается за уровень нормального фона в выработке.

В случае, если выработкой вскрывается ряд разнотипных пород, напри1104270

20 мер, в квершлаге, то расчет нормального фона Н проводят по наименее хрупким их разновидностям (например сланцам, глинам и т.п.) на участках протяженностью не менее 20 м.

После оценки Н ц определяют участки по профилю выработки, в которых

Нхммкс 2" ко H на этих участках проводят повторные измерения Н (обратный ход). В случае, если эти значения отличаются от первоначальных замеров не более чем на 10%, на указанных участках профиля производят измерение поперечной магнитной сос15 тавляющей напряженности электромагнитного поля Н, . Если значения Н„ отличаются более чем на 10% от первоначальных, то процесс измерений повторяется в указанной последовательности до получения погрешности не более 10%.

Затем в указанных точках профиля поворачивают антенну на угол М/2 (фиг. 1, ПК 3) и вращают антенну вокруг оси Х. Проводят измерение поперечной составляющей Н, как показано на фиг. 2, до получения максимального значения Н = Н „ с шагом йУ;= 30

Отсчет углов поворота антенны ве- б, ется по часовой стрелке, причем !"

Ч = О, когда плоскость витков антенны горизонтальна, а ее момент направлен вертикально вверх. Для ферритовой антенны, выполненной в 35 виде катушки, намотанной на ферритовый стержень, отсчет углов производят со смещением на угол .7(/2 против часовой стрелки, при. этом вертикальному положению оси ферритовой 4б антенны отвечает наибольшая чувствительность к источникам поля, расположенным в горизонтальной плоскости.

По максимальной амплитуде поперечной магнитной составляющей элект- 45 ромагнитного поля Н = Н „ находят угол Ю, а по минимальйой амплитуде Н = Й „- угол,„,„, которые отличаются между собой на угол Г(/2: Ч . = М„„- — /2.

Участки наибольшйх напряжений на контуре выработки определяются геометрически по пересечению с ним линии, проходящей от оси профиЛя измерений Х под углом 1„,„„с, а в 55 плоскости, наклоненной под углом действуют инварианты главных вин напряжений 4„ м„, .

Для одной и той же литологической разности наиболее напряженными участками в выработке считают те, где наибольшего значения достигает полная амплитуда Н магнитного вектора

П напряженности электромагнитного поля, рассчитываемая по формуле

Н о

При проведении измерений в породах различных литологических разностей уровень сигнала от источников одной мощности различается, так как с ростом проводимости пород увеличивается коэффициент поглощения электромагнитного поля средой. В связи с этим рабочая частота подбирается, так, чтобы соблюдалось условие

/2TifE / / 0,2, где 1 — рабочая частота измерителя, — диэлектрическая проницаемость пород, 1г — удельная электропроводность пород.

В этом случае справедливо выражение для коэффициента поглощения В:

В = ff+gЕ, где — магнитная проницаемость среды.

С учетом коэффициента поглощения амплитуда Н„, измеренная на разной частоте 1, в породах различной

1;, проводимости г-. может быть приведена

1 к одному уровню, соответствующему породам в разрезе с самой низкой проводимостью с помощью соотношения н „= Н О, х /в;/ в,. /, где Нд — значение полной амплитуды поля в породах с проводимостью х. (коэффициент поги лощения В,),,.В, — коэффициент поглощения поро( ды с самой низкой проводимостью, Аналогично замеры полной амплитуды поля Н „; в породах с самой низкой проводимостью на разных частотах приводят к уровню одной самой низкой рабочей частоты с помощью соотно1 шения н = н,„х f. /, Это позволяет выбрать одну оптимальную частоту для данного типа пород ; =, на которой полная ампли1 1042 70

20 туда поля достигает максимального значения.

Такой подбор оптимальной частоты измерений позволяет провести лучшее согласование в системе массив — нзмеритель.

Измерение направления действия главных компонент полного тензора напряжений проводят в двух ортогональных выработках (фиг. 3).

Сечения А-А и Б-Б выбирают с учетом минимального уровня помех вне зоны влияния очистных работ, сопряжений выработок и других факторов, которые могут исказить результаты наблюдений.

Для повышения точности и надежности определения азимута А„ его измерения проводят не на одной, а на нескольких литологических разностях пород, соответствующих наиболее хрупким породам: Ам Ам э ° ° ° э А 1

1 2 с1 осредняют полученные значения:

tt

А =KA t, м;, м где n — число пар сечений, в которых проводятся измерения.

В каждой выработке измеряют направления действия главных компонент тензора напряжений 91M и Угмин

1МНН а также значения соответствующих им амплитуд Н и Н . Пользуясь

1Мин 2 мь|н полученными данными, находим азимут максимальных горизонтальных напряжений А по формуле

Н соз 1 МИН 1 ИН

М В1 Н 4 мин 2 ми к где А — азимут оси первой выработки.

1104270

«с

А-A никс

Филиал ППП "Патент", х. Ужгород, ул. Проектная, 4

PrНИИПИ

Гирах 565

Заказ 5176/23

Подписное

Фиг.2