Способ определения параметров расслоений горных пород в массиве и устройство для его осуществления

Изобретения относятся к горному делу и могут быть использованы для контроля возникновения и распространения расслоений в массиве горных пород. В способе бурят скважины и устанавливают в них электроды с проводниками, подключенными к регистрирующей аппаратуре. Формируют сигнальные линии путем заполнения скважин твердеющей массой, которая после отвердения образует хрупкие электропроводящие стержни, жестко сцепленные со стенками скважины. Определяют изменение во времени электрического сопротивления между электродами, фиксируют моменты разрывов сигнальных линий и определяют параметры расслоений горных пород. Хрупкие электропроводящие стержни могут формировать таким образом, чтобы их удельное сопротивление зависело от давления. В качестве твердеющей массы могут использовать смесь графического порошка, цемента и воды. Между хрупкими электропроводящими стержнями и стенками скважин могут предварительно образовывать прослойку из хрупкого диэлектрического материала. Устройство для осуществления способа включает сигнальную линию в виде хрупкого и электропроводящего стержня. Внутри стержня проложен провод, на котором установлены электроды, контактирующие со стержнем и подключенные проводниками к регистрирующей аппаратуре. Удельное электрическое сопротивление стержня может зависеть от давления. На поверхности стержня может быть нанесен слой хрупкого диэлектрического материала. Изобретения позволяют повысить эффективность и информативность контроля за счет возможности фиксации трещин, возникающих на различных уровнях. 2 н. и 5 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

Техническое решение относится к горному делу и предназначено для контроля возникновения и распространения трещин и расслоений в массиве горных пород.

Известен способ определения расслоений в кровле горных выработок по авт. свид. СССР №1008445, кл. Е 21 С 39/00, опубл. в БИ №12, 1983 г. В этом способе в кровле осуществляют бурение шпура. Затем закрепляют в нем с помощью цементного раствора эталонный цилиндрический стержень, выполненный из хрупкого материала. В стержень излучают ультразвуковые импульсные колебания. О наличии расслоений в кровле судят по колебаниям, излученным в цилиндрический стержень и отраженным от трещины, образовавшейся в нем.

Этот способ не позволяет определять количество расслоений и расстояния между ними. Кроме того, для его реализации требуется специальная акустическая аппаратура.

Наиболее близким по технической сущности и совокупности существенных признаков является способ определения параметров расслоений горных пород в массиве по авт. свид. СССР №1196505, кл. Е 21 С 39/00, опубл. в БИ №45, 1985 г., основанный на регистрации возникающих трещин посредством фиксации разрывов сигнальных линий, закрепленных в скважине. В нем сигнальные линии устанавливают по квадратной сетке, фиксируют моменты разрывов сигнальных линий и определяют скорость движения фронта расслоения по установленной зависимости.

Способ позволяет осуществлять контроль параметров расслоения только в одной плоскости, проходящей через скважины в пределах заданного участка.

Известно устройство для определения расслоений в кровле горных выработок по авт. свид. СССР №1008445, кл. Е 21 С 39/00, опубл. в БИ №12, 1983 г. Оно включает аппаратуру для излучения и регистрации ультразвуковых импульсных колебаний и эталонный цилиндрический стержень, выполненный из хрупкого материала.

Это устройство является сложным из-за наличия в нем аппаратуры для излучения и регистрации ультразвуковых импульсных колебаний. Оно не позволяет следить за процессом образования трещин, возникающих в нескольких плоскостях.

Наиболее близким по технической сущности и совокупности существенных признаков является устройство для определения параметров расслоений горных пород в массиве по авт. свид. СССР №1196505, кл. Е 21 С 39/00, опубл. в БИ №45, 1985 г. Оно содержит сигнальную линию, выполненную с регистрирующей аппаратурой. Стержень выполнен полым из диэлектрического материала и заполнен электропроводящей жидкостью под давлением. На торцах стержня установлены заглушки с электродами.

Устройство трудоемко в изготовлении. Оно не позволяет фиксировать моменты образования трещин в нескольких плоскостях.

Решаемая техническая задача заключается в повышении информативности способа за счет возможности слежения за процессом расслоений массива горных пород в нескольких плоскостях одновременно и эффективности устройства за счет упрощения конструкции и возможности фиксации трещин, возникающих на различных уровнях.

Задача решается тем, что в способе определения параметров расслоений горных пород в массиве, включающем бурение скважин, установку в них сигнальных линий, фиксацию моментов разрывов сигнальных линий и определение параметров расслоений, согласно предлагаемому техническому решению в скважинах на различных уровнях устанавливают электроды с проводниками для подключения к регистрирующей аппаратуре, а сигнальные линии формируют заполнением скважин твердеющей массой, которая после отвердения образует хрупкие электропроводящие стержни, жестко сцепленные со стенками скважин, определяют изменение во времени электрического сопротивления между электродами и по нему судят о параметрах расслоений горных пород в массиве.

Формирование сигнальных линий заполнением скважин твердеющей массой, которая после отвердения образует хрупкие электропроводящие стержни, жестко сцепленные со стенками скважин, позволяет судить о параметрах расслоения массива горных пород по изменению электрического сопротивления этих стержней в результате образования в них трещин. Установка в скважинах на различных уровнях электродов с проводниками для подключения к регистрирующей аппаратуре позволяет определять изменение электрического сопротивления хрупких электропроводящих стержней между электродами. Определение изменения электрического сопротивления между электродами во времени обеспечивает получение информации о характере образования трещин по всему объему хрупкого электропроводящего стержня. Совокупность отмеченных признаков обеспечивает возможность слежения за процессом расслоений массива горных пород в нескольких плоскостях одновременно. Это существенно повышает информативность способа.

Целесообразно скважины заполнять твердеющей массой, которая после отвердения образует хрупкие электропроводящие стержни, удельное электрическое сопротивление которых зависит от давления. Это позволяет не только следить за процессом расслоения, но и за характером деформации стенок скважины, что значительно повышает информативность способа, ибо в этом случае появляется возможность оценивать изменение напряжений в массиве.

Целесообразно при этом в качестве твердеющей массы использовать смесь графитового порошка, цемента и воды. Такая смесь изменением соотношения составляющих ее компонентов позволяет образовывать хрупкие электропроводящие стержни различной прочности и обладающие удельным электрическим сопротивлением, которое зависит от давления и наличия в них трещин.

Целесообразно между хрупкими электропроводящими стержнями и стенками скважин предварительно образовывать прослойку из хрупкого диэлектрического материала. Это обеспечивает возможность слежения за процессом расслоения в горных породах с любой электрической проводимостью.

Задача решается также тем, что в устройстве для определения параметров расслоений горных пород в массиве, включающем сигнальную линию в виде стержня и электроды, подключенные к регистрирующей аппаратуре, согласно предлагаемому техническому решению стержень выполнен хрупким и электропроводящим, внутри стержня проложен провод, на котором установлены электроды, контактирующие со стержнем и подключенные проводниками к регистрирующей аппаратуре.

Выполнение стержня хрупким и электропроводящим позволяет по изменению его электрического сопротивления фиксировать моменты возникновения в нем трещин. Прокладка внутри стержня провода, на котором установлены электроды, контактирующие с ним и подключенные проводниками к регистрирующей аппаратуре, дает возможность по характеру образования трещин в этом стержне следить за процессом расслоения массива горных пород в нескольких плоскостях одновременно. Кроме этого, устройство имеет более простую конструкцию по сравнению с прототипом и поэтому является более надежным в работе. Все это повышает эффективность устройства.

Целесообразно хрупкий электропроводящий стержень выполнять таким, чтобы его удельное электрическое сопротивление зависело от давления. Это позволяет оценивать изменение напряжений в массиве горных пород.

Целесообразно на поверхность хрупкого электропроводящего стержня нанести слой хрупкого диэлектрического материала. Это обеспечивает возможность слежения за процессом расслоения в горных породах с любой электрической проводимостью.

Сущность технического решения поясняется примером конкретного исполнения и чертежом.

На чертеже показана схема реализации способа определения параметров расслоений горных пород в массиве и устройство для его осуществления.

Способ реализуют с помощью устройства следующим образом.

В массиве горных пород бурят скважину 1, в которую подают устройство, включающее провод 2, оголенный на конце 3, установленные на проводе 2 электроды 4 с проводниками 5. В скважине 1 формируют сигнальные линии (поз. не обозначены) заполнением ее твердеющей массой, которая после отвердения образует хрупкий электропроводящий стержень 6 (далее стержень), жестко сцепленный со стенками скважины 1 и имеющий удельное электрическое сопротивление, зависящее от давления. Проводники 5 и провод 2 подключают к регистрирующей аппаратуре 7 (например, измерителю электрического сопротивления). Определяют изменение электрического сопротивления между электродами 4 во времени и по нему судят о параметрах расслоений 8 и оценивают изменение напряжений в массиве. Оголенный конец 3 провода 2 используют в качестве одного из электродов 4 (последнего от устья скважины 1).

Отметим, что на кривой изменения электрического сопротивления между электродами 4 во времени скачки соответствуют моментам возникновения трещин (разрыва сигнальной линии фронтом расслоения 8), а ее плавное изменение во времени соответствует изменению давления на стержень 6 со стороны стенок скважины 1 (на контакте с горной порой). Поэтому с помощью одних и тех же стержней 6 с указанными свойствами фиксируют моменты разрыва сигнальных линий (образование расслоений) и предшествующее этому изменение давления в массиве горных пород (в стержнях 6).

Провод 2 и проводники 5 выполнены из материала (медь, алюминий), способного в отличие от горной породы и стержней 6 к большим деформациям без разрушения (обрыва провода 2 или проводников 5). Поэтому после образования в стержне 6 трещин электрическая связь между электродами 4 и измерителем 8 сопротивления не нарушается. Толщину провода 2 выбирают такой, чтобы его можно было независимо от длины (например, большей диаметра выработки, из которой ведутся наблюдения) путем изгибания подавать в скважину 1, но при этом, чтобы в скважине 1 он удерживал электроды 4 на требуемом расстоянии друг от друга.

В ряде случаев (когда диаметр выработки больше длины контролируемого участка) устройство изготавливают не в скважине 1, а в разборной цилиндрической форме (далее - форма). Для этого провод 2 с электродами 4 и проводниками 5 помещают в форму (на чертеже не показана), которую затем заполняют твердеющей массой. После отвердения поданной массы образуется стержень 6 с указанными свойствами. Этот стержень 6 извлекают из формы, подают в скважину 1 и скрепляют с ее стенками цементирующим материалом, что облегчает реализацию способа для восстающих скважин.

Образованию трещин (в результате расслоения массива) предшествует деформация горных пород, обусловленная изменением напряжений в массиве. Поэтому по деформации стенок скважины 1 можно оценивать изменения напряжений. В предлагаемом способе деформация стенок скважины 1 проявляется как изменение давления на стержни 6 (или внутри стержней 6). Поэтому, используя стержни 6, удельное электрическое сопротивление которых зависит от давления, можно по изменению во времени электрического сопротивления между установленными внутри стержней 6 электродами 4 оценивать характер изменения напряжений в массиве.

В результате специальных исследований были найдена смесь, позволяющая формировать стержни 6, обладающие отмеченными свойствами. Это смесь графитового порошка, цемента и воды. Суммарный объем цемента и воды определяют из требований к прочности, хрупкости и удельной электропроводности стержней 6. Он может доходить до 40% общего объема смеси.

На ряде рудников горная порода обладает высокой электрической проводимостью, способной шунтировать стержни 6. Чтобы предлагаемый способ не зависел от электрических свойств горных пород, между стержнями 6 и стенками скважины 1 предварительно образуют прослойку (на чертеже не показана) из хрупкого диэлектрического материала, например, эпоксидной смолы. При изготовлении устройства с применением формы (вне скважины 1) хрупкий диэлектрический материал наносят на его поверхность до подачи в скважину 1.

На чертеже представлена простейшая схема реализации способа. Используя современное оборудование, на его основе можно создавать измерительные системы непрерывного контроля напряженно-деформированного состояния породного массива на заданном участке или в пределах всего горного предприятия в целом. Он позволяет также контролировать состояние искусственных сооружений, например плотин гидроэлектростанций.

Предлагаемым способом технически реализуют идею внедрения в массив горных пород элементов измерительной системы, которые подвергаются воздействию происходящих процессов непосредственно. Поэтому он является прямым методом измерения и позволяет получать достоверную информацию независимо от свойств горных пород в массиве. При использовании нескольких скважин можно определять скорости перемещения фронта расслоения (как в прототипе), ориентацию плоскости расслоения, следить за развитием расслоений по нескольким плоскостям одновременно, оценивать характер изменения напряжений в массиве, осуществлять диагностику (определять деформацию горных пород, характер развития трещин, устойчивость горных выработок) породного массива в заданной области. Кроме того, даже одна скважина позволяет оценивать изменение напряжений в конкретной области массива горных пород, определять количество расслоений и расстояния между ними. Способ и устройство могут применяться на любых горных предприятиях с использованием простых стандартных средств.

1. Способ определения параметров расслоений горных пород в массиве, включающий бурение скважин и установку в них сигнальных линий, фиксацию моментов разрывов сигнальных линий и определение параметров расслоений, отличающийся тем, что в скважинах на различных уровнях устанавливают электроды с проводниками для подключения к регистрирующей аппаратуре, а сигнальные линии формируют заполнением скважин твердеющей массой, которая после отвердения образует хрупкие электропроводящие стержни, жестко сцепленные со стенками скважин, определяют изменение во времени электрического сопротивления между электродами и по нему судят о параметрах расслоений горных пород в массиве.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что скважины заполняют твердеющей массой, которая после отвердения образует хрупкие электропроводящие стержни, удельное электрическое сопротивление которых зависит от давления.

3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что в качестве твердеющей массы используют смесь графитового порошка, цемента и воды.

4. Способ по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что между хрупкими электропроводящими стержнями и стенками скважин предварительно образуют прослойку из хрупкого диэлектрического материала.

5. Устройство для определения параметров расслоений горных пород в массиве, включающее сигнальную линию в виде стержня и электроды, подключенные к регистрирующей аппаратуре, отличающееся тем, что стержень выполнен хрупким и электропроводящим, внутри стержня проложен провод, на котором установлены электроды, контактирующие со стержнем и подключенные проводниками к регистрирующей аппаратуре.

6. Устройство по п.5, отличающееся тем, что удельное электрическое сопротивление хрупкого электропроводящего стержня зависит от давления.

7. Устройство по п.5 или 6, отличающееся тем, что на поверхность хрупкого электропроводящего стержня нанесен слой хрупкого диэлектрического материала.