Способ определения нарушенности горного массива и устройство для его осуществления

 

Использование: определение скрытых нарушений в приконтурном массиве горных пород. Сущность изобретения: на исследуемом участке массива устанавливают питающие , измерительные и компенсационные электроды. Питающие и компенсационные электроды подключают через регулирующие переменные сопротивления к выходу генератора переменного тока противофазно. Измерительные электроды через узкополосный усилитель соединяют с милливольтметром . Пропускают ток через питающие электроды и Создают в массиве наведенное электрическое поле. Через компенсационные электроды пропускают ток противоположной полярности. Величины токов, протекающих между питающими и компенсационными электродами, выбирают пропорционально квадратам расстояний между электродами. Определяют величину потенциала между измерительными электродами . По полученной величине потенциала определяют глубину залегания нарушения. 2 с.п. ф-лы, 3 ил., 1 табл., 1 пр. сл С

(19) (11) СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (51)5

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

3В

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4805070/03 (22) 22.03.90 (46) 23.06.92. Бюл. N. 23 (71) Всесоюзный научно-исследовательский институт горной геомеханики и маркшейдерского дела (72) Ю, Г. Белявский, М.Ж, Битимбаев, Г.И.булычев, В.К.Гердт, А.Е.Уделов и С,К.Забур дин (53) 622.831(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

N- 1328517, кл. E 21 С 39/00, 1987.

Глушко В.Т. и др. Геофизический контроль в шахтах и тоннелях, M.: Недра, 1987. с. 104-109, (54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ НАРУШЕННОСТИ ГОРНОГО МАССИВА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ (57) Использование: определение скрытых нарушений в приконтурном массиве горных пород. Сущность изобретения: на исследуеИзобретение относится к горному делу и может быть использовано для определения состояния горного массива, в частности определения нарушенности, не выходящей на обнажения горных выработок, Известен способ определения нарушенности горного массива, заключающийся в том, что на исследуемом участке массива создают электрическое поле и измеряют его потенциал. Регистрируют разность потенциалов и фиксируют, наличие заколов, которые и свидетельствуют о нарушенности горного массива. Способ осуществляется с помощью устройства. содержащего источник питания постоянного тока, который соединен через амперметр с питающими мом участке массива устанавливают. питающие, измерительные и компенсационные электроды. Питающие и компенсационные электроды подключают через регулирующие переменные сопротивления к выходу генератора переменного тока противофазно. Измерительные электроды через узкополосный усилитель соединяют с милливольтметром. Пропускают ток через питающие электроды и создают в массиве наведенное электрическое поле. Через компенсационные электроды -пропускают ток противоположной полярности. Величины токов, протекающих между питающими и компенсационными электродами, выбирают пропорционально квадратам расстояний между электродами. Определяют величину потенциала между измерительными электродами. По полученной величине потенциала определяют глубину .залегания нарушения. 2 с.п. ф-лы, 3 ил., 1 табл., 1 пр, электродами, и регистратор, подключенный ф к измерительным электродам.

Указанный способ не позволяет определять нарушенности, не выходящие на обна- 4 жения горного массиве. Кроме того, способ QO. осуществим только при наличии закола. а также при наличии между заколом и массивом открытых трещин (воздушные зазоры), выходящих. на обнажения торных выработок. В большинстве случаев нарушенности, трещины, расслоения встречаются в глубине массива, и данным способом определить их наличие и местоположениЕ не представляется возможным.. . Устройство для осуществления известного способа имеет низкую надежность on1742478 ределения нарушенности, не выходящей на обнажения горного массива из-за влияния поляризации электродов и промышленных электрических помех. Приэлектродные эффекты и электрические помехи в основном 5 обусловлены введением в горный массив постоянного тока, Таким образом, известные способ и устройство не обеспечивают необходимой точности и при определении нарушенности, 10 не выходящей на обнажения горных выработок.

Целью изобретения является повышение точности определения нарушенности, не выходящей на обнажения горных выра- 15 боток, Указанная цель достигается тем, что по способу определения нарушенности горного массива, включающему создание на исследуемом участке массива наведенного 20

1 электрического поля и измерение его потенциала, по которому определяют нарушенность массива,.осуществляют компенсацию наведенного электрического поля током противоположной полярности, величину ко- 25 торого определяют из соотношения

l2= I1 L2 /L)г, а глубину залегания нарушенности h определяют по формуле

Устройство для осуществления способа, содержащее источник питания, генера- 35 тор переменного тока, выход которого соединен с питающими электродами, измерительные электроды, подключенные к входу узкополосного усилителя, и соединенный с ним милливольтметр, снабжено компенса- 40 ционными электродами и регулирующими переменными сопротивлениями, при этом компенсационные электроды подключены через регулирующие сопротивления к выходу генератора переменного тока противо- 45 фазно питающим электродам.

На фиг. 1 представлена схема установки

A)82MNA281 и распределение наведенного электрического поля в ненарушенной породе; на фиг. 2 — структурная схема устройст- 50 ва; на фиг. 3 — распределение потенциала вдоль электропрофиля по разрезу.при наличии нарушенности в горном массиве, Способ осуществляется следующим образом. 55

На исследуемом ненарушенном участке массива устававливают питающие 1 и измерительные 2 электроды вдоль электропрофиля 3 (фиг. 1). Расстояние между питающими и измерительными электродами, а также положение центра установки определяют по размеченным на электропрофиле пикетам. После совмещения центра установки с пикетом профиля, установления и подключения электродов измеряют разность потенциала Ь 0 и тока I> и вычисляют удельное электрическое сопротивление рк на ненарушенном участке по известной формуле к о рк =К

11 где К= л коэффициент установки.

Затем на электропрофиле устанавливают компенсационные электроды 4 на расстоянии, равном половине расстояния от центра до питающих электродов 1, и подключают к электродам 1 и 4 питающие и компенсационные токи. Через электроды А> и Аг (фиг, 1) пропускают ток положительной, а через электроды В> и 82 — отрицательной полярности, Сила токов в цепи электродов

А18 и А282 равна соответственно 1 и 12.

В связи с противоположной направленностью токов 11 и 12 создаваемые ими в ненарушенной среде геоэлектрические поля будут, в зависимости от соотношения токов и расстояний между питающими электродами, полностью или частично компенсироваться, В случае полной компенсации разность потенциалов между измерительными электродами MN равна нулю. Иначе говоря, разности потенциалов, создаваемые между измерительными электродами в каждой из питающих линий, в момент компенсации равны по величине и противоположны по знаку, т.е, U>-- — 02, Так как Л 0 —

Л A1MA) N (рк2 12 IVIN

А2 М А2 N следовательно, I > 12 А М А 11 Аг М Аг 11

При MN «А181 и А282 последнее выражение может быть представлено в виде равенства

I2= I1 L2 /L1 (1)

Уравнение (1) устанавливает соотношение между разносами питающих электродов и величинами протекающих между ними токов, необходимое для полной компенсации наведенного электрического поля в районе измерительных электродов в ненарушенных породах.

Характер распределения силовых (сплошные линии) и эквипотенциальных (пунктир) линий наведенного электрического поля, создаваемого установкой

A1B2MNA2B> в ненарушенной породе, при1742478 веден на фиг. 1б. При этом соотношение разносов между электродами AzBz и А1В1 принято равным 1:2.

Затем установку A1BzlVINAzB1 перемещают по нарушенному участку вдоль элект= 5 ропрофиля с шагом, равным MN. При наличии нарушенности 5 происходит перераспределение электрических полей, создаваемых электродами А1В1 и АгВг. В результате этого условие компенсации их в 10 районе измерительных электродов нарушается, и на последних появляется разность потенциалов,- величина которой с учетом знаков питающих токов определяется соотношением 15 до=дц1 А1В1 д Агвг (2) или, А1В1. „

А1 М A1N

/ рК1 "гвг 1г MN pK2 I l MN

АгМАг И фк1 г MN л г так как Iz= и MN= а, то, производя

I1 Lz

Ll подстановку, получают

25

ЗО

/ кг 11 à рк1 1 а л г л

L1 L1 г ж L1 m Ll

Из последнего равенства следует, что регистрируемая разность потенциалов пропорциональна разности сопротивлений нарушенных и ненарушенных пород. 40

Введенный в породу электрический ток проникает в толщу пород на значительную глубину, но его плотность уменьшается по мере удаления от электродов А1 и Âl. Эффективной глубиной (расстояние распрост- 45 ранения тока в породе) считается граница, выше и ниже которой распространяется

50 g общего количества тока, введенного в породу. Глубина этой границы зависит от соотношения сопротивлений нарушенных и 50 ненарушенных пород, равного b= p

Путем изменений соотношения L1/Lz и I1/Iz создают наивысшую плотность тока на той глубине горного массива. где ожидаются нарушенности. При. этом о присутствии нару- 55 шенности судят по величине потенциала, не равного нулю, а по максимальному значению потенциала оценивают глубину с местоположения нарушенности, которая соответствует расстоянию, равному

)Ы Ъ Д, з1 лдо при соотношении сопротивлений нарушенных и ненарушенных пород

g< b<4, Устройство для осуществления предлагаемого способа (фиг. 2) содержит источник

6 питания постоянного тока, генератор 7 переменного тока, узкополосный усилитель

8, сопротивления 9, питающие электроды 1, компенсационные электроды 4, измерительные электроды 2 и регистратор 10.

Устройство работает следующим образом.

Постоянное напряжение от источника 6 по проводам подается на генератор 7, вырабатывающий переменный ток-строго фиксированной низкой частоты (5 и 0,01) Гц.

Выход генератора соединен с питающими 1 и компенсационными 4 электродами установки. Амплитуда тока, протекающего через питающие и компенсационные электроды, подбирается (с помощью вопротивления R< и Rz) такой, чтобы. она удовлетворяла уравнению (1), Таким образом, в ненарушенной породе наведенные электрические поля от питающих и компенсационных электродов полностью скомпенсированы, При наличии нарушенности на измерительных электродах 2 установки возникает разность потенциалов с частотой, соответствующей рабочей частоте генератора, которая поступает на вход усилителя 8 с узкополосной частотной характеристикой, обеспечивающей прохождение через усилитель только полезных сигналов рабочей частоты. С выхода усилителя 8 полезный сигнал подается на регистратор 10, где и фиксируется. Погрешность измерения полезных сигналов (Д U) не.более 2 .

Использование генератора, вырабатывающего ток строго фиксированной частотой

5 Гц, и узкополосного усилителя, обеспечивающего прохождение только полезных сигналов рабочей частоты, позволяет исключить поляризацию электродов и влияние промышленных электрических помех, Узкополосный усилитель предназначен для обеспечения помехоустойчивости измерений при воздействии промышленных помех.

Уровень подавления промышленной частоты 50 Гц достигает 80 дБ.

Низкая частота 5 Гц позволяет проводить интерпретацию результатов наблюдений с использованием закономерностей полей постоянного тока.

Предлагаемый способ и устройство прошли опытно-методическую проверку на рудниках комбината "Ачполиметалл", в

1742478 частности на четырех участках 13-16 rop

Северного геологического блока, где в массивах горных пород, сложенных доломитами и доломитизированными известняками, вдоль горных выработок было проведено электропрофилироваиие обнаженных стенок массива и пород кровли установкой

А132ММА2Б с длиной питающей линии

L<=2; 3. 5; 6 и 10 м и МИ=-0,2„ 0,6; 1,2. 1,6 м.

Интерпратация данных измерений сводилась .к получению графика распределения потенциала по электропрофилю. Судя по кривой (фиг. 3), полученной поданным измерения, максимальное значение потенциала составляет h. U=- 170 мВ и соответствует глубине залегания иарушенности 2,4 м. Полученный результат подтвержден бурением скважин с отбором керна и измерением удельного электрического сопротивления кернового материала рк2 . !

Кроме того, предлагаемый способ и устройство апробированы.на участке 19 гор рудника Глубокий при изучении состояния искусственного массива из твердеющей закладки, где в закладочном массиве определены нарушенности на глубине 3,1 м (см, таблицу), В таблице приведены результаты определения нарушенности, не выходящей на обнажения горных выработок, полученные

r, использованием предлагаемого технического решения, и сравнение этих результатов по данным бурения скважин с отбором керного материала.

Таким образом, способ позволяет повысить точность определения нарушенности, не выходящей на обнажения горных выработок, по сравнению с трудоемким процессом бурения скважин и отбором керного материала, Точность определения нарушен! ости предлагаемым способом составляет

5-15О, и зависит от глубины проникновения в породу тока и соотношения нарушенных и

í=-нарушенных пород, Способ может найти п,!менение при исследованиях нарушенности искусственного массива из твердеющей закладки.

Формула изобретения

1. Способ определения нарушенности горного массива, включающий создание на исследуемом участке массива наведенного электрического поля и измерение его потенциала, по которому определяют иарушенность массива, о тл и ч а ю щи и с я тем, 5 что, с целью повышения точности определения нарушенности, не выходящей на обнажения горных выработок, осуществляют компенсацию наведенного электрического поля током противоположной полярности, 10 величину которого определяют из соотношения

12= 11 1-2 /Ь где II — величина тока, протекающего между питающими электрог;зми, А;

15 i2 — величинатока, протекающегомежду компенсационными электродами, А;

L1, L2 — расстояние между соответственно питающими и компенсационными электродами, м;

20 а глубину залегания нарушенности h определяют по формуле а Ь I t рк1

3 л Л0

25 где а — расстояние между измерительными электродами, и;

Ь вЂ” отношение удельных электрических сопротивлений нарушенных и ненарушенных пород(3 «Ь «4);

30 pK — удельное электрическое сопротивление ненарушенных пород, Ом и, Л0 — наибольшее значение измеряемого потенциала, В.

2, Устройство для определения нарушенности горного массива, содер>кащее источник питания, генератор переменного тока, выход которого соединен с питающи40 ми электродами, измерительные электроды, подключенные к входу узкополосного усилителя, и соединенный с ним милливольтметр, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что оно снабжено компенсационными электродами

45 и регулирующими переменными сопротивлениями, при этом компенсационные электроды подключены через регулирующие сопротивления к выходу генератора переменного тока противофазно питающим электродам.

1742478

1742478

Фиг, 2

LOO

AK,è

Злвктдсл 0фяль 7. фиг . 3

Составитель Ю,Белявский г н л Ко екто О.Ципие

Редактор Г.Бельская

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул,Гагарина, 1О1

Техред М.Мор е та PP P

Заказ 2269 Тираж - . Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035. Москва, Ж-35, Раушская наб„4/5