Способ определения напряженного состояния участка массива горных пород

 

Изобретение относится к горному делу и предназначено для оценки напряженного состояния участка массива горных пород. Способ основан на внешнем силовом воздействии на исследуемый массив посредством взрыва и регистрации сейсмоакустических импульсов и определении значений интенсивности сейсмоакустической эмиссии. С целью повышения точности и снижения трудоемкости оценки напряженного состояния определяют логарифмы значений интенсивности сейсмоакустической эмиссии. Строят график зависимости логарифма интенсивности от времени. По графику определяют значения логарифмов интенсивности в начальный и конечный моменты времени спада сейсмоакустической активности. Напряженное состояние участка массива определяют по отношению значений логарифмов интенсивности в конечный и в начальный моменты времени спада сейсмоакустической активности. 6 ил. 2 табл.

Изобретение относится к горному делу и предназначено для оценки напряженного состояния массива горных пород (МГП).

В связи с увеличением глубины ведения горных работ по добыче полезных ископаемых проблема контроля напряженного состояния МГП, прогноза и предотвращения горных ударов становится одной из актуальных. Для ее решения все большее применение находят методы, основанные на регистрации сейсмоакустической активности (СА). Развитие этих методов является перспективным, однако во многом сдерживается отсутствием единых представлений о связи явления СА с происходящими в горном массиве процессами, что приводит к существенным трудностям при интерпретации результатов регистрации СА и поиске наиболее информативных сейсмоакустических показателей напряженного состояния МГП.

Известен способ определения напряженного состояния участков МГП [1] включающий внешнее силовое воздействие на исследуемый участок и определение интенсивности сейсмоакустической эмиссии (СЭ), вызванной этим воздействием, по которой определяют напряженное состояние участка массива, при этом в качестве источника силового воздействия используют перераспределение опорного давления, вызванное подвиганием крепи или обрушением кровли, а определение интенсивности сейсмоакустической эмиссии проводят в момент подвигания или обрушения.

Недостаток способа в том, что он не позволяет определить степени опасности напряженного состояния участка массива, поскольку дает возможность производить только относительную оценку напряженного состояния участка массива (т. е. больше или меньше, чем на другом участке). Кроме того к недостаткам этого способа следует отнести то обстоятельство, что предлагаемый способ реализации силового воздействия на участок массива зависит от технологических особенностей его осуществления, а также от геометрических параметров краевой части массива, что не позволяет обеспечить адекватные нагружения различных участков массива и может вносить существенные погрешности в оценке напряженного состояния МГП.

Наиболее близким к предлагаемому является способ оценки напряженного состояния участка массива [2] включающий образование в массиве полости посредством взрыва, регистрацию сейсмоакустических импульсов, определение интенсивности сейсмоакустической эмиссии во времени и определение времени спада интенсивности СЭ до уровня, ниже которого горные удары не происходят, по которому определяют степень удароопасности массива, сравнивая это время с заранее определенным значением времени для данного месторождения. Если время спада интенсивности превышает это значение, то состояние участка массива признается удароопасным.

Недостаток способа состоит в том, что он трудоемок, так как необходимо для каждого конкретного месторождения определять значение времени спада интенсивности СЭ до уровня, ниже которого горные удары не происходят. Кроме того к общим недостаткам описанных способов можно отнести их невысокую точность, поскольку устанавливаемые корреляции между интенсивностью СЭ или временем ее спада и характеристиками напряженного состояния участка МГП справедливы только для каждого конкретного месторождения, вида и чувствительности используемой аппаратуры, уровня внешних акустических и электромагнитных помех, расстояния от датчиков до исследуемого участка, объема участка, мощности производимого в массиве взрыва.

В предлагаемом способе определения напряженного состояния участка массива горных пород, включающем образование в массиве полости посредством взрыва, регистрацию сейсмоакустических импульсов, определение значений интенсивности сейсмоакустической эмиссии в начальный и конечный моменты времени спада сейсмоакустической активности, дополнительно определяют логарифм интенсивности lnN сейсмоакустической эмиссии, строят график зависимости логарифма интенсивности lnN от времени t, по которому определяют значения логарифмов интенсивности в начальный lnN_o и конечный lnN_p моменты времени спада сейсмоакустической активности, а напряженное состояние участка массива определяют по формуле F , где F показатель напряженного состояния участка массива.

Дополнительное определение логарифма интенсивности сейсмоакустической эмиссии, построение графика зависимости логарифма интенсивности от времени t в сочетании с остальными признаками позволяет получить средние значения логарифмов интенсивности сейсмоакустической эмиссии и тем самым исключить влияние случайных факторов на интенсивность сейсмоакустической эмиссии и, как следствие, повысить точность определения напряженного состояния участка МГП.

Определение по графику значения логарифма интенсивности СЭ, соответствующего начальному моменту этапа спада сейсмоакустической активности и значения логарифма интенсивности СЭ, соответствующего конечному моменту времени спада сейсмоакустической активности в сочетании с остальными признаками позволяет найти максимальное значение логарифма интенсивности lnN_o СЭ, которое, согласно основанным на кинетической теории прочности представлениям, соответствует напряжению, близкому к пределу прочности породы, и значение логарифма интенсивности lnN_p СЭ, соответствующее напряжению участка массива в равновесном состоянии.

Отношение lnN_p/lnN_o определяет отношение напряжения в массиве к пределу прочности его породы, при этом получаемые отношения не зависят от мощности взрыва, величины и качества взрывчатого вещества, вида датчиков и используемой аппаратуры, ее чувствительности, расстояния от датчиков до контролируемого участка массива, от вида породы и других дестабилизирующих факторов.

Известен способ определения адгезии полимера к металлу (а.с. N 1467458, кл. G 01 N 19/04, 1989), который содержит сходный отличительный признак заявляемого способа, а именно определение зависимости логарифма общего количества сигналов акустической эмиссии от времени. При этом в сочетании с остальными признаками он предназначен для определения прочности и долговечности металлополимерных адгезионных соединений. Известный отличительный признак заявляемого способа в сочетании с остальными признаками позволяет определить напряженное состояние участка горного массива и обеспечить безопасность работы в забое.

П р и м е р 1 (прототип). Способ был апробирован на медно-никелевых рудниках "Таймырский" и "Октябрьский" Норильского горно-металлургического комбината им.А.П.Завенягина. Для осуществления способа использовалась аппаратура "Гроза-4" и "Гроза-16", которая представляет собой четырехканальный приемник акустических сигналов в полосе усиливаемых частот канала усиления 0,1-40,0 кГц с коэффициентом усиления 30-70 дБ. Аппаратура позволяла подсчитывать за установленные промежутки времени число сейсмоакустических импульсов, превышающих заданный амплитудный уровень. Для регистрации СА использовался пьезоакселерометр АС 31 с частотной характеристикой 0,2-20 кГц. С целью уменьшения влияния промышленных помех в условиях рудников применялся фильтр низких частот с частотой среза 300 Гц и подавлением 45 дБ на октаву.

При регистрации сейсмоакустической активности массива до взрыва ее значение имело примерно постоянное значение, то есть среднее количество N сигналов СА, зарегистрированных за одинаковые промежутки времени, существенно не изменялось. После проведения технологического взрыва в горном массиве образовывалась полость, а возросшая за 1-2 мин после взрыва интенсивность сейсмоакустической эмиссии начинала спадать. В большинстве случаев регистрируемое за единицу времени количество N сигналов изменялось со временем t по закону, близкому к экспоненциальному, выпрямляющемуся в полулогарифмических координатах. На фиг. 1 приведены графики изменения вызванной взрывом сейсмоакустической активности массива, зарегистрированной различными датчиками в защищенной зоне; на фиг.2 графики зависимостей логарифма интенсивности СЭ от времени lnN(t), построенные по данным, зарегистрированным 1-м, 2-м и 4-м датчиками (1,2,4); на фиг.3 то же, что на фиг.1, но в частично защищенной зоне; на фиг. 4 то же, что на фиг.2, но зарегистрированным 1-м, 2-м, 4-м датчиками (1-4); на фиг.5 то же, что на фиг.1, в зоне повышенного опорного давления; на фиг.6 то же, что на фиг.2, зарегистрированным 1-м, 2-м, 3-м и 4-м датчиками (1,2,3,4). На фиг. 1,3,5 изображено изменение во времени t количества N зарегистрированных различными датчиками за 1 мин сейсмоакустических импульсов в различно напряженных зонах. Отнесение участка к определенной по напряженности зоне производилось с помощью метода разделения керна на диски, который используется в настоящее время на рудниках как базовый. Напряженное состояние участка массива при этом оценивалось значением параметра σ/σ_сж, где σ величина максимальных радиальных по отношению к скважине напряжений, σ_сж предел прочности породы участка массива при испытании на одноосное сжатие.

В наименее напряженной подработанной защищенной зоне значения параметра σ/σ_сж находились в пределах 0,6-0,8, в частично защищенной зоне напряжения были выше, а значения параметра σ/σ_сж 0,8-1,2, в наиболее напряженной зоне опорного давления σ/σ_сж 1,2-1,45.

Датчики находились на различном расстоянии от образованной взрывом полости, каналы датчиков имели различный коэффициент усиления сигнала. Как видно из чертежей, время спада интенсивности сигналов до максимального, остающегося примерно постоянным значения N_p, составляло τ 8-9 мин для защищенной зоны (фиг.1), τ 24-25 мин для частично защищенной зоны (фиг.3) и τ 11-12 мин для зоны опорного давления (фиг.5). При этом интенсивного (ударного) разрушения исследуемого участка массива не происходило, поэтому данное время τ являлось параметром напряженного состояния участка МГП. Величина N_p для каждого датчика имело собственное значение. Так, для зоны опорного давления (фиг. 5) зарегистрированное 1-м и 4-м датчиками значения N_p1 N_p4 25 имп/мин, 2-м датчиком N_p2 12 имп/мин, 3-м датчиком N_p3 3 имп/мин. Кроме того индивидуальным для каждого датчика являлось и время спада интенсивности СЭ до какого-либо фиксированного значения, ниже которого горных ударов не происходит. Так из фиг.5 следует, что время спада интенсивности СЭ до уровня 25 имп/мин для 1-го датчика составило τ₁ 12 мин, для 2-го датчика τ₂ 5-6 мин, для 3-го датчика τ₃ 1 мин, для 4-го датчика τ₄ 12 мин. Таким образом значения τ_i для 3-го и 4-го датчиков отличаются в 12 раз. Поэтому определение времени спада интенсивности сейсмоакустической эмиссии до уровня, ниже которого горных ударов не происходит, требует предварительных исследований по установлению величины этого уровня, а также величины τ для каждого датчика в отдельности, что предполагает необходимость проведения длительных и трудоемких тарировочных испытаний.

Кроме того сопоставление значений для различных зон говорит о невысокой точности способа. В частности время τ спада интенсивности СЭ до минимального уровня в зоне опорного давления имеет меньшую величину (11-12 мин), чем в частично защищенной зоне (24-25 мин) (табл.1).

П р и м е р 2 (предлагаемый способ). Регистрация сейсмоакустических импульсов производилась тем же способом и на той же аппаратуре, что и в примере 1.

В данном случае в отличие от примера 1 определяли логарифм интенсивностей сигналов сейсмоакустической эмиссии через каждую минуту на этапе спада сейсмоакустической активности. По полученным данным строили графики lnN(t), которые чаще всего имели характер, близкий к прямолинейному (фиг.2,4,6), и по которым определяли значения логарифмов интенсивностей в начальный lnN_o и конечный lnN_p моменты времени спада сейсмоакустической активности, а напряженное состояние участка массива определяли по параметру F, рассчитываемому по формуле: F Получаемые в экспериментах величины τ,lnN_p,lnN_o и F имели значения, представленные в табл. 1 (фиг.2,4,6). Как видно из табл.1, значения параметра напряженного состояния F для различных датчиков в пределах одного участка отличаются незначительно. Максимальный разброс значений параметра F составляет 25% что говорит о том, что значения параметра F слабо зависят от вида датчика и его расстояния до исследуемого участка, от коэффициента усиления в виде датчика. Таким образом для осуществления способа не требуется проведения предварительных тарировочных испытаний, что существенно снижает трудоемкость его осуществления, повышает точность и оперативность обеспечивающих безопасность работ в забое мероприятий.

В табл.2 приведены значения времени τ спада интенсивности СЭ до минимального уровня N_p и параметра F lnN_p/lnN_о для участков массива двух шахт в различно напряженных зонах. В числителе приведены средние значения параметров, определенные по нескольким испытаниям, в знаменателе их минимальные и максимальные значения, полученные из испытаний в пределах одной зоны. Точность и надежность оценки напряженного состояния каждым из этих параметров может быть охарактеризована величиной соотношения A разницы между средними значениями параметров в различно напряженных зонах массива к сумме полей разброса значений параметров в каждой зоне. Среднее значение параметра τ изменялось в пределах 470-1260 с в зонах шахты N 1 и в пределах 510-2560 с в шахте N 2. Сумма полей разброса его значений в зонах шахты N 1 составляет (990 120) + (1550 950) + (1600 780) 2290 с, а в шахте N 2 (560 420) + (4080 1500) 2720 с. Отношение A (1260 470)/2290 0,345 для шахты N 1, для шахты N 2 A (2560 510)/2720 0,75. Аналогично для параметра F:A 0,628 в шахте N 1 и A 0,94 в шахте N 2. В пределах зон обеих шахт соотношение A для параметра F имеет большую величину, что говорит о более четком разделении участков массива с различным уровнем напряжений параметром F и более высокой точности и надежности оценки напряженного состояния МГП этим параметром, чем параметром, предлагаемым в прототипе.

Кроме того из табл.2 видно, что средние значения предложенного в прототипе параметра τ в зонах повышенного опорного давления обеих шахт отличаются более, чем на 120% из чего следует, что количественная связь между значениями параметра τ и напряженным состоянием участков МГП в каждой шахте существенно отличается от таковой в другой шахте, а для ее установления необходимы предварительные испытания, носящие тарировочный характер. Средние же значения предлагаемого для оценки напряженного состояния МГП параметра F в одинаково напряженных зонах различных шахт имеют близкие величины. Разница средних значений параметра F в защищенных зонах шахт N 1 и N 2 составляет 16% различие средних значений этого параметра в зонах повышенного опорного давления не превышает 2% Хорошая воспроизводимость параметра F в соответствующих зонах различных шахт говорит об отсутствии необходимости в предварительных испытаниях, что существенно снижает трудоемкость в осуществлении предлагаемого способа. Опасное состояние массива горных пород по предлагаемому способу его оценки будет при значении параметра F, равным 0,5 и более.

Таким образом предлагаемый способ позволяет повысить точность и снизить трудоемкость определения напряженного состояния массива горных пород.

Формула изобретения

СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ УЧАСТКА МАССИВА ГОРНЫХ ПОРОД, включающий внешнее силовое воздействие на исследуемый массив посредством взрыва, регистрацию сейсмоакустических импульсов, определение значений интенсивности сейсмоакустической эмиссии, отличающийся тем, что дополнительно определяют логарифмы значений интенсивности N сейсмоакустической эмиссии, строят график зависимости логарифма интенсивности от времени, по которому определяют значения логарифмов интенсивности в начальный и конечный моменты времени спада сейсмоакустической активности, а напряженное состояние участка массива определяют по отношению значений логарифмов интенсивности в конечный и в начальный моменты времени спада сейсмоакустической активности.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7