Способ оценки напряженного состояния горного массива

 

СПОСОБ ОЦЕНКИ НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ ГОРНОГО МАССИВА, включающий возбуждение массива, регистрацию времени прихода упругих и электромагнитных волн в перво 1 пункте приема, определение времени запаздывания упругих волн относительно электромагнитных в первом , пункте приема, отличающийс я тем, что, с целью повышения точности оценки напряженного состояния массива, в первом и в других пунктах приема, удаленных от первого на расстояние, величина которогоустанавливается требуемой деталью измерений, измеряют наведенную ЭДС в заданные моменты времени и через интервал At, равный запаздыванию упругих волн в другие пункты приема по отношению к приходу упругой волны в первый пункт приема, .затем определяют коэффициенты затухания упругих и электромагнитных волн на выбранных участках массива, за (Л данных произведением скорости рас- . пространения упругой волны на интервал времени it, и по полученным коэффициентам затзпсания судят о напряженном состоянии горного массива . 4 (

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (19) (3 1)

4(5l) Е 21 С 39/00

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТ

Н АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 36132 1,3/22-03 (22) 01.07.83 .(46) 23.03.85. Бюл. К- 11 (72) Б.M. Усаченко, А.А. Яланский, С.И. Скипочка, Т.А. Паламарчук и В.В. Фромм (71) Институт геотехнической механики АН Украинской ССР (53) 622.235(088.8) (56) 1. Савич А.И. и др. Сейсмоакустические методы изучения массивов скальных пород. Л., "Наука", 1976, с. 100-103.

2. Авторское свидетельство СССР

1Ф 825947, кл. Е 21 С 39/00, t978 (прототип). (54)(57) СПОСОБ ОЦЕНКИ НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ ГОРНОГО МАССИВА, включающий возбуядение массива, регистрацию времени прихода упругих и электромагнитных волн в первоМ пункте приема, определение времени запаздывания упругих волн относительно электромагнитных в первом пункте приема, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что, с целью повышения точности оценки напряженного состояния массива, в первом и в других пунктах приема, удаленных от первого на расстояние, величина которого. устанавливается требуемой деталью измерений, измеряют наведенную ЭДС в заданные моменты времени и через с / интервал Л t, равный запаздыванию упругих волн в другие пункты приема по отношению к приходу упругой волны в первый пункт приема,,затем определяют коэффициенты затухания упругих и электромагнитных волн на выбранных участках массива, saданных произведением скорости рас- . пространения упругой волны на интервал времени Д t, и по полученным коэффициентам затухания судят о напряженном состоянии горного массива.

1146448 2

Изобретение относится к способам оценки напряженного состояния мас" сина горных пород на больших базах измерения без бурения, скважин.

Известен способ" оценки напряженного состояния по кинематическим и динамическим параметрам сейсмических колебаний, распространяющих" ся через горный массив (1) .

Недостаток этого способа заклю- Ю чается в его низкой достоверностИ, обусловленной тем, что результаты измерений динамических параметров на 803 определяются условиями и качеством установки приемников сейсми- 15 ческих сигналов и анизотропией мас1

;сива, а это приводит к большим погрешностям измерения напряжений в горном массиве. Кроме того, способ позволяет проводить измерения только параллельно обйажению горного массива.

Известен способ оценки напряженного состояния горного массива, включающий возбуждение массива, 25 регистрацию времени прихода упругих и электромагнитных вблн в первом пункте приема, определение времени запаздывания упругих волн относительно электромагнитных в первом пункте приема f23, Недостатком известного способа является низкая точность оценки распределения напряжений в горном массиве причины которбй заключают1

35 ся в следующем.

Получаемый информативный параметр характеризует не локальное, а усредненное состояние горного массива на участке, определяемом

"базой прослеживания", расположенном в зоне влияния горной выработки, что дополнительно искажает характер распределения напряжений.

Поскольку величина эффективного значения электромагнитных волн является функцией смещения частиц массива при больших затуханиях упругих волн и малых затуханиях электромагнитных (сейсмоэлектрических), 50 что характерно для. пород осадоч-, .ного происхождения„ "база прослеживания", а значит, и информативный параметр — время опережения электромагнитных волн относительно 55 упругих не зависят от напряжения .в массиве (при таких условиях вре,мя опережения по .своей величине приближается к времени распространения упругой волны от пункта возбуждения к пункту приема).

Целью изобретения является повышение точности оценки напряженного состояния массива.

Поставленная цель достигается ем, что согласно способу оценки напряженного состояния горного массива, включающему возбуждение массива, регистрацию. времени прихода упругих и электромагнитных волн в первом пункте приема, определение времени запаздывания упругих волн относительно электромагнитных в первом пункте приема, в первом и других пунктах приема, удаленных от первого на расстояние, величина которого устанавливается требуемой детальностью измерений, измеряют наведенную ЭДС в заданные моменты времени и через интервал равный запаздыванию упругих волн в другие пункты приема по отношению к приходу упругой волны в первый пункт приема, затем определяют коэффициенты затухания упру;гих и электромагнитных волн на выб ранных участках массива, заданных произведением скорости распространения упругой волны на интервал времени 5 t и по полученным коэффициентам затухания судят о напряженном состоянии горного массива.

На чертеже представлена схема измерения напряжений по данному способу.

На схеме обозначены пункт возбуждения упругой волны ПБ, пуйкты приема ПП,, ПП, ...,.ПП»„ базы прослеживания L,, Lù, выбранУ ное время измерения наведенной ЭДС с,, и, ..., ш,: разность времени прихода упругих волн в пункты прие.ма ПП, ..., ПП относительного а ° ° 1 пункта ПП,g t> ...,gt участки измерения напряженности @, Дщ," промежуток времени измерения эффективного значения ЭДС P t.

Способ реализуется следующим образом.

В горной выработке устраивают измерительный профиль, на котором размещают приемники сейсмических и электрических колебаний. В качестве последних используются штыревые электроды или катушки индуктивности; Причем в каждом пункте

1146448 приема устанавливают один приемник упругих и несколько приемников электрических колебаний.

Приемники подключают к многоканальному регистратору, оборудованному входным нормированным аттенюатором и устройством запуска с регулируемой задержкой. На предварительном этапе измерений возбуждают упругую волну в массиве в пункте 1О

ПВ и регистрируют первые вступления упругих волн в пункты приема

ПП,, ПП, ..., ППи. Определяют за-, держку вступления сигналов (= 2, 3, ..., и), где t и t< — время от момента ,возбуждения до первого вступленияупругой волны в -й и первый пункты приема. Предварительный этап из мерений может быть опущен при из- 2О вестных скоростях упругих волн и расстояниях от пункта взрыва до пунктов приема.

55

На основном этапе измерений в 25 каждом пункте приема к регистратору подключают сейсмоприемник и по два приемника электрических колебаний, причем первые приемники электрических колебаний — к кана-- 30 лам с равной задержкой времени запуска tj (j = 1, ..., m), а вторые — к каналам с задержкой + 4с

Затем возбуждают в точке ПВ упругую волну и измеряют на приемниках наведенную электромагнитным эффек-. том ЭДС. При этом по амплитудным значениям ЭДС в каналах с равной задержкой определяют затухание электромагнитных волн на участке 4О массива с L а по данным ЭДС в каналах с задержкой t + Д ; определяют затухание упругих волн на этом же участке горного массива.

Варьируя разносом пунктов приема, 4g т.е. изменяя время 6 С, и време нем задержки t, можно исследовать с требуемой детальностью практически любой участок горного массива, получая s нем значения коэффициен- gg тов затухания электромагнитных и упругих волн + л ;

А,. о 4„

Р .Д я)

С 1 где ц и (< — затухание на участке электромагнитных и упругих волн; (L) и f (?.) - функции расхождения, значение которых можно определить по диаграмме направленности, часто при расчетах S(L) при-,. нимают равными едиФ Hmqe

А, А и A>. — амплитудные зна-.

Э Э1 9i чения, наведенные

ЭДС в пунктах приема ПП- и ПП в мо-.

1 менты времени t.u

t; + at, 3

На ограниченных участках обнажения горного массива, когда нет воз-, можности для разноса пунктов приема в тупиковых вырабсФгках и зату-.

:хание упругих волн незначительно при высоком затухании электромагнитных волн, в одном пункте подключают несколько приемников электрических колебаний к каналам аппаратуры с различным нормированным уровнем чувствительности. Получаемое в этом случае время опережения электромагнитных волн относительно упругих характеризует интегральное значение напряженности . участка массива, ограниченного "базой прослеживания" О, ..., Lg)

19 еееЭ поскольку пороги чувствительности каналов различны и заранее известны, изменяя их от минимального до максимального, можно оценить характер распределения напряжения в массиве от обнажения до глубины, ограниченной "базой прослеживания" для максимальной чувствительности аппаратуры.

Пример осуществления способа.

Оценка напряженного состояния . массива осуществляется между двумя участками обнажения горного массива, например, между выработками, расположенными на расстоянии до

100-150 м друг от друга. На одном участке размещают пункт взрыва (ПВ) ° а на другом устраивают измеритель ный профиль с количеством пунктов

1146448 приема (ПП), определяемом количеством каналов регистрирующей аппаратуры. Расстояние между ПП устанавливают, исходя из требуемой детальности исследования массива. Например, если требуется оценить состояwe массива на отрезках в 3 м, расстояние d между ПП Должно удовлетворять условию о = 0(tс — t )

1 U йй, где U — скорость упругих волн в массиве, a t. u tc — времеС1 з на вступления сейсмических сигналов в первый и второй пункты приема (за нуль отсчета времени принимается момент взрыва). Поскольку определить априори время tc и с

2 очень трудно, на приемном профиле, устанавливают несколько пунктов приема с шагом 3-10 м, а полученную детальность оценивают поданным 20 измерений параметров П и t .. В пункте ПВ возбуждают упругий им-. пульс.

В каждом ПП (например, ПП„и

ПП ) устанавливают один приемник упругих и два приемника электрических колебаний. Входы регистрирующей аппаратуры оснащают ключевым

30 устройством запуска с регулируемой задержкой. Допустим . необходимо определить состояние массива на расстоянии Ь„ от ПП„ с детальностью

Для этого возбуждают в ПВ упругий импульс и регистрируют время И вступления упругих волн в ПП„ и . ПП . Определяют задержку вступления волны fit = t с — t и отрезок, 2 2 1 на котором оценивается напряженное состояние (1 = h t . U. Затем опре40 деляют время

4S

ПП/ ПП ПП ПП

В каждом пункте приема один из приемников электромагнитных волн подключают к каналам с задержкой момента запуска t, à другой в ПП с задержкой t + d t . Затем снова возбуждают упругий импульс и регистрируют пиковое значение наведенной 55

ЭДС за отрезок 8t, который должен быть не менее периода колебаний (Т). Различие в величинах на0,5 м 2,0м где t„ — время момента взрыва. веденных ЭДС в ПН, и ПП по каналах с задержкой t характерйзует зату1 хание электромагнитных волн на участке 1, поскольку затухания упругих волн на участке от ПВ до равны. Различие же в величинах зйачений наведенных ЗДС в ПП 1 и ПП по каналам с задержкой соответствейно „ и t + ht характеризует затухание упругих волн на участке поскольку затухания электромагнитных волн на участках от ПП

1 до й„и от IIII> до „+ и равны.

Варьируя разносом ПП, т.е. изменяя время ;, и временем задержки t. (i = 2, 3, ..., n, j = 1, 2, m) можно исследовать с требуе1 мой детальностью любой участок горного массива, получая в нем значения коэффициентов затухания упругих с с (r) и электромагнитных

Ыд з (p ) волн, где r — степень трещиноватости, а р — электросопротивление массива.

При проверке работоспособности способа оценивалось состояние массива между двумя восстающими, расположенными на расстоянии 104 м, пройденными в висячем боке рудного тела.„ В одной из выработок был размещен измерительный профиль, на ко-, тором с шагом 10 м устанавливались

3 пункта приема. В качестве регистратора использовалась аппаратура

It ll

Агат . Для удовлетворения условию о и 7 Т входной сигнал поступал на аппаратуру через октавные фильтры OF-101 со средней частотой

2500 Гц. На первом этапе измерений определены времена задержки вступления упругих волн и детальность оценки состояния массива (средняя скорость упругих волн в массиве

3600 м/с).

0 0,13 мс 0,53 мс

На участке 20-32 м от ПП, где расположено тектоническое нарушение сбросового типа, в области которого должна наблюдаться аномальная концентрация напряжений, обуславливающая повышенную трещиноватость и скачкообразное изменение электросопротнвления массива., ин1146448

Погрешность измерения

27 28 29 30 31 32

23 24 25 26 йтубнна 20 21. 2.2

23,1 22,8 22,5 22,2 22,0 21,7 21,4 21е0 20 7 20 5 20,3 20,0

t (мс) 23,3

Ав„((с ) 1,01

1,01 1,015 1,012 1,015 1,27 1,0171,01 1,01 1.012 1 0,, 01

Аев2 1,20

1,21 1,20 1,23 1 э27 1,41 1162 1,23 1,20 1,21 f 20 1,22 1,20 (сю+ Ю4) тервал исследования составлял 1 м с детальностью 0,5 м. Выбранные времена задержки и значения полученных наведенных ЭДС сведены в таблицу.

По полученным данным построен разрез,. на котором в районе 24-27 м определена аномальная зона повышенных концентраций напряжений. Геологоразведочным бурением на этом участ- 10 ке подсечено тектоническое на— рушение.

10Х.

Предлагаемый способ повышает точность оценки яарактера распределения напряжений в массиве по линии, соединяющей пункты возбуждения и приема, которое составляет 40-60Х, что позволяет выбирать более оптимальные условия подцержания выработок, точнее прогнозировать аномальные зоны йапряжений массива.

1146448

ЗН р.ужгород» У,Проектная

Подписное

ИИПИ Заказ 1333/26 Т"Раж