Сенсорное устройство и способ электроразведки залежей минерального сырья

Изобретение относится к области геофизики и может быть использовано при исследовании залежей минерального сырья в геологической среде. Изобретение относится к сенсорному устройству и способу геоэлектрического исследования местоположения, стратиграфической разбивки и простирания залежей минерального сырья и смежных горных пород, оконтуривающих данные залежи. Заявленное сенсорное устройство имеет сенсорную головку (51), торцевая поверхность которой образует сенсорную измерительную поверхность (53), и по меньшей мере один электрод. Согласно изобретению сенсорная головка (51) может устанавливать контакт с поверхностью геологической среды, и центральный электрод (54) и множество наружных электродов (55), расставленные геометрически единообразно вокруг центрального электрода (54), располагаются на сенсорной измерительной поверхности (53). Причем центральный электрод (54) и наружные электроды (55) являются электропроводными и электрически изолированными друг от друга. Технический результат - повышение точности данных исследования залежи непосредственно в процессе ее разработки. 2 н. и 13 з.п. ф-лы, 7 ил.

 

Изобретение относится к сенсорному устройству для геоэлектрического исследования местоположения, (стратиграфической) разбивки и простирания залежей минерального сырья и смежных пород, оконтуривающих данные залежи, в частности при непрерывной разработке залежей минерального сырья, имеющему сенсорную головку, торцевая поверхность которой образует сенсорную измерительную поверхность, и по меньшей мере один электрод. Изобретение также относится к способу геоэлектрического исследования залежей минерального сырья в геологической среде, в частности при непрерывной разработке залежей минерального сырья, с развитием поля потенциала в геологической среде с помощью сенсорного устройства, содержащего сенсорную головку, торцевая поверхность которой образует сенсорную измерительную поверхность, и который имеет по меньшей мере один электрод.

В области прикладной геофизики известны исследования земной коры с помощью измерения электрического напряжения и силы тока. Например, для целей разведки залежей минерального сырья документ DE 10 2007 029 782 A1 раскрывает геофизический измерительный способ, в котором комбинируют различные способы геофизической разведки, такие как с использованием технологии сейсмической отраженной волны, сейсмической преломленной волны и геоэлектрического сопротивления, стволов скважин, отрывки шурфов и аналитического подхода для разведки минеральной залежи, подвергающейся выветриванию. Для целей разведки с использованием геоэлектрического сопротивления стальные заостренные стержни в геологической среде используют в качестве электродов, по которым ток подается в грунт от источника напряжения для развития полей потенциала геологической среды, которые, например, измеряют с помощью вольтметра. Профиль и затухание полей потенциала можно использовать для определения контактного сопротивления, которое, как кажущаяся удельная проводимость или сопротивление, дает представление о подошве выработки или структуре подошвы выработки и материалах и структурах, находящихся в ней. Для варианта технологии с использованием геоэлектрического сопротивления также необходимо учитывать физические процессы вызванной поляризации (эффекты ВП), которые, как функция присутствующей подошвы выработки, преимущественно ведут к росту и затуханию полей потенциала, измерения которых выполняют, по сравнению с приложенными полями потенциала, возникающими медленнее, различными путями.

Задачей изобретения является создание сенсорного устройства и способа геоэлектрического исследования геологической среды, в частности геоэлектрического исследования залежей минерального сырья, что обеспечивает разведку простирания и структуры залежей минерального сырья, а также оконтуривание простирания смежной горной породы при непрерывной разработке и, следовательно, также непрямой контроль выемочного устройства, используемого в разработке залежи минерального сырья.

Данную задачу решают, применяя устройство, выполненное с возможностью ввода в контакт сенсорной головки с поверхностью геологической среды и/или залежи минерального сырья, с центральным электродом и множеством наружных электродов, расставленных геометрически единообразно вокруг центрального электрода, расположенных на сенсорной измерительной поверхности, причем, центрального электрода и наружных электродов, являющихся электропроводными и электрически изолированными друг от друга. Благодаря тому, что сенсорная головка входит в контакт с поверхностью геологической среды, подлежащей исследованию, без физического проникновения в саму подошву выработки, как в случае забивания стержней электродов в геологическую среду, сенсорное устройство изобретения можно, например, также использовать на транспортерах выемочных машин. В то же время, расположение электродов с геометрически единообразной расстановкой обеспечивает предварительное исследование слоев геологической среды вбок и перпендикулярно относительно поверхности геологической среды, с которой устанавливают контакт. Очевидно, что исследование можно выполнять в направлении вниз, вперед и также вверх, обеспечивая, например, установление контакта с поверхностью перпендикулярного или наклонного фронта очистного забоя, или с кровлей подземной залежи минерального сырья. Индивидуальные электроды на сенсорной головке можно использовать для образования пар сенсоров, с помощью которых переменное напряжение прикладывают к геологической среде, подлежащей исследованию, и одновременно в геологической среде можно измерять полученный ток. Все работы подачи напряжения и измерений выполняют с помощью электродов сенсорной головки, на которой электроды расположены в виде наружных электродов или внутренних электродов.

Согласно предпочтительному варианту осуществления центральный электрод на сенсорной измерительной поверхности имеет равностороннюю переднюю поверхность, и наружные электроды на сенсорной поверхности имеют линейную переднюю поверхность, наружные электроды, соответственно, расположены параллельно одной из боковых стоек центрального электрода. Сенсорная головка может, при этом, иметь такую конфигурацию, что центральный электрод образует треугольник, четырехугольник или многоугольник и созданное число наружных электродов соответствует числу углов.

В альтернативном варианте осуществления центральный электрод на сенсорной измерительной поверхности конструктивно выполнен как точечный электрод. В частности, предпочтительно, когда центральный электрод на сенсорной измерительной поверхности конструктивно выполнен как кольцевой электрод. В обоих случаях, наружные электроды на сенсорной измерительной поверхности могут быть, соответственно, конструктивно выполнены как точечные электроды. Вместе с тем, более предпочтительной является сенсорная головка, в которой наружные электроды на сенсорной измерительной поверхности конструктивно выполнены как электроды в виде сегментов кольца и расположены по кольцу вокруг центрального электрода, предпочтительно самого являющегося кольцевым. При такой детализации образуется сенсорная головка с устройством электродов в виде кольца в кольце.

Основная область применения сенсорного устройства изобретения относится к исследованию залежей минерального сырья, которые могут разрабатываться с использованием струговых систем или режущих систем. В варианте таких систем разработки сенсорное устройство может быть установлено в частях выемочной машины для получения информации во время непрерывной разработки, относящейся к толщине и структуре залежи минерального сырья, а также простирания оконтуривающего слоя между сырьевым материалом, подлежащим разработке, и смежной горной породой. В варианте подземных залежей минерального сырья в добыче угля, подошву выработки часто называют залегающей, кровлю именуют нависающей и лобовую стену, подлежащую разработке, называют фронтом работ или стеной выработочной части. Для цели встраивания в машину, в частности, предпочтительно, когда сенсорное устройство имеет цилиндрический кожух, на одном из концов которого расположена сенсорная головка. Для установления надежного контакта даже когда подземная поверхность неровная, электроды в форме сегментов кольца, образующие наружные электроды на сенсорной измерительной поверхности, конструктивно выполнены как перемычки в виде сегментов кольца, проходящие по передней поверхности сенсорной головки и по боковой поверхности сенсорной головки. По данной причине, устройство в виде кольца в кольце подходит лучше всего, устройство в виде точки в кольце подходит удовлетворительно и устройство в виде точки в кольце плохо подходит для вариантов применения в машине, перемещающейся во время разработки. Для предотвращения воздействия возможных неровностей, кроме того, предпочтительно, когда наружные электроды в виде кольцевых перемычек снабжены на переходе передней поверхности в боковую поверхность фаской, предпочтительно, под углом 45°.

Поскольку относительно большая общая длина может быть необходима для встраивания сенсорного устройства, предпочтительно, когда в данной детализации наружный электрод (электроды) на задней стороне перемычки в виде сегмента кольца снабжен контактной вставкой, проходящей до заднего конца корпуса. Кроме того, целесообразно снабжать кожух уступом, таким что заплечик уступа может образовывать опорную поверхность для работающей на сжатие пружины, с помощью которой сенсорное устройство постоянно прижимается в контакт с поверхностью подошвы выработки или залежи минерального сырья, подлежащей сканированию. Для данной цели кожух может иметь конструктивное исполнение из нескольких частей и иметь заднюю часть, содержащую заплечик уступа, и переднюю часть, снабженную сенсорной головкой, при этом возможно соединение частей кожуха друг с другом болтами, проходящими через заплечик уступа для получения возможно более простого конструктивного исполнения. Кроме того, центрирующую шпонку (шпонки) можно съемно крепить на кожухе с помощью болтового крепления. Центрирующая шпонка (шпонки) может также иметь конструкцию, интегральную с кожухом.

Радиусы колец и ширина колец, кроме прочего, являются решающими в варианте устройства электродов в виде кольца в кольце. Чем больше радиус наружного кольца, тем больше глубина исследования. Глубина исследования составляет от одного до двух диаметров наружного кольца. Сенсорное устройство, по существу, составлено из двух колец, наружного кольца, содержащего множество наружных электродов, по меньшей мере, для образования двумя смежными наружными электродами в каждом варианте пары электродов для введения поля потенциала в геологическую среду, подлежащую исследованию. Соотношение между радиусом наружных электродов, построенным от центральной оси, и радиусом внутреннего электрода, построенным от центральной оси, предпочтительно составляет приблизительно 3/1. Кроме того, наружные электроды предпочтительно образуют кольцо с диаметром по меньшей мере 60 мм. Наружное кольцо электродов может иметь ширину в радиальном направлении, равную приблизительно 1/10 радиуса наружных электродов, и/или разнос между двумя наружными электродами, заполненный электроизоляционным материалом, составляет, предпочтительно, по меньшей мере 2 мм.

Особенно предпочтительным для использования является сенсорное устройство на перемещающихся выемочных машинах с наружными электродами на сенсорной измерительной поверхности, выполненными из стали. Кроме того, пространство между наружными электродами и центральным электродом на сенсорной поверхности должно быть заполнено предпочтительно износостойким электроизоляционным материалом, таким как модифицированный пластик, в частности армированный волокном термопласт, так что никакие тела, препятствующие установлению контакта сенсорной поверхностью с геологической средой, подлежащей сканированию, не могут становиться на сенсорную поверхность.

В варианте особенно предпочтительной деталировки сенсорное устройство можно использовать на элементе рештака подземной выемочной машины, в частности подземной угледобывающей машины. Здесь сенсорное устройство можно предпочтительно вставлять в открытый снизу цилиндрический вырез на элементе рештака и, в установленном положении оно может перемещаться в вырезе, если необходимо, против возвращающей силы, работающей на сжатие пружины. Альтернативно, сенсорная головка может быть установлена на поворотном рычаге, закрепленном в поворотном шарнире на нижней стороне элемента рештака.

Что касается способа, упомянутая выше задача решается благодаря тому, что сенсорная головка может входить в контакт с поверхностью геологической среды и имеет на сенсорной измерительной поверхности центральный электрод и множество наружных электродов, расположенные расставленными геометрически единообразно вокруг центрального электрода, причем центральный электрод и наружные электроды являются электропроводными, электрически изолированными друг от друга, и образуют пары электродов, с помощью которых увеличивают поле потенциала и измеряют полученный ток. Подходящее контрольно-измерительное устройство можно использовать для соединения всех электродов одного за другим для образования пар электродов и развития последовательно полей потенциала и проведения измерений. Удельное сопротивление материала в подошве выработки можно определить с помощью приложения напряжения и/или инжектирования тока между электродами пары электродов на подошве выработки как полей потенциала и с помощью измерения напряжения и полученных профилей тока. Измерения можно проводить как в варианте с неподвижной сенсорной головкой, так и в варианте сенсорной головки, которая, например, пассивно перемещается вместе с выемочной машиной. Измерения полученного тока как функции геологической среды, подлежащей исследованию, предпочтительно выполняют с помощью электродов пары электродов, которые при этом развивают поле потенциала. Вместе с тем, измерения можно также выполнять с помощью электродов пары электродов, которые при этом не развивают поле потенциала, или любых других необходимых пар электродов той же сенсорной головки.

Кроме того, электрохимические процессы создают вызванную поляризации или поляризационный эффект, обусловленный, например, с одной стороны, разницей в ионной проводимости камня и электронной проводимости металлических частиц камня и, с другой стороны, пространственно зависимой подвижностью ионов, основанной на изменении размера пор в камне. Для роста поляризации необходима электрическая работа. Указанное может быть измерено при включении напряжения для развития полей потенциала. Если напряжение выключено, этим высвобождают работу, сохраненную в геологической среде в форме электрической энергии, что можно увидеть, в свою очередь, в профиле напряжения.

Во время перемещения сенсорной головки вдоль поверхности геологической среды возможно измерение изменений в контактном сопротивлении между электродами одной пары электродов. С этой целью также возможно замыкание накоротко индивидуальных электродов для образования общего электрода или большого электрода и образования измерительной пары электродов вместе с дополнительным замкнутым накоротко электродом, если приемлемо, также как большой электрод той же сенсорной головки, что и противоэлектрод, для создания возможно большей поверхности установления контакта с геологической средой для измерительных электродов и поверхности геологической среды, подлежащей сканированию. Изменения в контактном сопротивлении могут являться результатом перемещения сенсорных головок по поверхности геологической среды, подлежащей сканированию. Амплитуда и частота данных флуктуаций сопротивления является функцией свойств поверхности материала. Способ может быть применен только в случае динамических процессов.

Особенно предпочтительным в варианте способа изобретения является случай, когда эквивалентное сопротивление между всеми парами электродов сенсорной головки измеряют для исследования удельного сопротивления материала в геологической среде или в залежи минерального сырья перед сенсорной головкой, находящейся в контакте с поверхностью геологической среды. Поля потенциала или контактное сопротивление предпочтительно определяют без проникновения сенсорной головки в геологическую среду. Сенсорное устройство, такое как описано дополнительно выше, используют, в частности, для выполнения способа.

Дополнительные преимущества и детали сенсорного устройства изобретения и способа разведки даны в следующем описании схем примеров вариантов осуществления, показанных на чертежах конструкции сенсорного устройства и встраивания сенсорного устройства в рештаки выемочной машины. На чертежах показано следующее.

На Фиг.1 показана в изометрии схема сенсора с сенсорной головкой с расположением электродов в виде точки и кольца для исследований согласно первому примеру варианта осуществления.

На Фиг.2 показан детальный вид сенсорной головки сенсора Фиг.1.

На Фиг.3 показана схема эквивалентной цепи с эквивалентными сопротивлениями и электрическими напряжениями для варианта расположения электродов на сенсорной головке согласно Фиг.1 и 2.

На Фиг.4 показан сенсор Фиг.1 в разобранном виде.

На Фиг.5 показан вид сверху сенсорной головки согласно второму примеру варианта осуществления с расположением электродов в виде кольца в кольце.

На Фиг.6 показан схематичный сильно упрощенный вид сечения со встраиванием сенсорного устройства в лоток рештака согласно первому альтернативному варианту осуществления.

На Фиг.7 показан схематичный сильно упрощенный вид сечения со встраиванием сенсорного устройства в лоток рештака согласно второму альтернативному варианту осуществления.

Образец сенсорного устройства согласно первому примеру варианта осуществления, обозначенному в целом позицией 10, показан на Фиг. 1-3 весьма схематично и упрощенно, все, что показано, является сенсорным устройством без источников напряжения, кабелей и управляющего компьютера. Сенсорное устройство 10 или сенсор снабжен сенсорной головкой 1 на одном конце цилиндрического кожуха 2. Сенсорная головка 1 имеет сенсорную измерительную поверхность 3, по центру которой расположен центральный точечный электрод 4, вокруг которого расставлены с равными интервалами три одинаковых наружных электрода 5, соответственно, состоящих на сенсорной измерительной поверхности 3 из перемычек 6 в виде сегментов кольца. Сенсорная головка 1, таким образом, имеет центральный электрод 4 и три наружных электрода 5 с расположением в виде точки в кольце. Сенсорное устройство 10 вместе с сенсорной головкой 1 конструктивно выполнены с возможностью поддержания в постоянном контакте с поверхностью геологической среды (не показано) залежи минерального сырья. Данное предпочтительно можно получить с помощью работающей на сжатие пружины (не показано), которая может опираться на заплечик 7 уступа 8 между передней частью 9 и задней частью 11, по существу, цилиндрического кожуха 2. Работающую на сжатие пружину (не показано) можно затем использовать для преднапряжения сенсорного устройства 10 в осевом направлении, для достижения цели, заключающейся в том, чтобы, как описано ниже, сенсорная головка 3 постоянно выступала за поверхность на выемочной машине и постоянно упиралась в поверхность геологической среды. В зависимости от хода разработки залежи минерального сырья, геологическая среда может здесь являться слоем геологической среды, еще не содержащим полезных ископаемых, слоем геологической среды, состоящим только из полезных ископаемых, или граничным слоем, состоящим либо из примыкающей породы, не подлежащей дополнительной разработке, или слоем полезных ископаемых, подлежащим возможно более точной разработке.

Как ясно показано, в частности на Фиг.2, на которой цилиндрический кожух в передней части 9 исключен, с целью использования сенсорного устройства 10 в частях конструкции выемочных машин, перемычки 6 в виде сегментов кольца наружных электродов 5 проходят на сенсорной головке 1, во-первых, с торцевой перемычкой 6' на сенсорной измерительной поверхности 3 и, во- вторых, также с боковой перемычкой 6" на боковой поверхности сенсорной головки 1, обозначенной в целом позицией 1'. Торцевая перемычка 6' и боковая перемычка 6" предпочтительно интегрально соединены здесь друг с другом и между ними выполнена косая фаска 12 под углом, предпочтительно составляющим 45°, для перехода между боковой полкой 6" и торцевой полкой 6' перемычки 6 в виде сегмента кольца каждого наружного электрода 5. Фаска 12 может обеспечивать то, что до величины смещения параллельно поверхности геологической среды, на которую она опирается, сенсорная головка 1 может автоматически подниматься при ударе о препятствия и может смещаться с противодействием возвращающей силе пружины, работающей на сжатие (не показано), не требуя принятия дополнительных мер для подъема сенсорного устройства.

На Фиг. 1 и 2 достаточно ясно показано, что три электропроводных наружных электрода 5 и электропроводный центральный электрод 4 электрически отделены друг от друга электроизоляционным промежуточным материалом для образования, в зависимости от схемы измерения, в каждом варианте двух смежно расположенных наружных электродов 5 и/или в каждом варианте пары в составе центрального электрода 4 и одного из наружных электродов 5 пар электродов, к которым возможно приложение поля потенциала, такого как напряжение, например, с помощью источника питания (не показано) для определения кажущегося удельного сопротивления r в геологической среде, такого как, в частности, в так называемой подошве выработки подземного угольного пласта. На Фиг.3 показано с помощью схемы эквивалентной цепи, как кажущееся удельное сопротивление r материала в геологической среде или в залежи минерального сырья можно определить, используя внутренний и наружные электроды 4, 5.

На Фиг.3 на схеме эквивалентной цепи показаны эквивалентные сопротивления и электрические напряжения для расположения электродов в виде внутреннего электрода 4 и трех наружных электродов 5 на сенсорной головке 1 согласно Фиг.1 и 2. Для определения кажущегося удельного сопротивления r материала в геологической среде или залежи минерального сырья, например, в подошве выработки угольного пласта, эквивалентное сопротивление Re измеряют между всеми парами электродов, которые могут быть образованы внутренним электродом 4 и наружными электродами 5. Эквивалентное сопротивление является рядом созданных цепью контактных сопротивлений Rc электродов относительно подошвы выработки, и кажущегося удельного сопротивлени rs подошвы выработки:

Re=Rc+rS*k.

Как показано в символической форме индивидуальными напряжениями U12, U23, U13, переменное напряжение U прикладывается к двум электродам от источника напряжения (не показано). Как показано в символической форме, из токов I12, I13, I23, I14, I42, I34 в зависимости от электрического сопротивления получают ток I и измеряют измерительным устройством (не показано). Эквивалентное сопротивление может быть вычислено с использованием формулы Re = U/I. Данное измерение проводят в каждом варианте для всех пар электродов. Вследствие геометрически симметричного расположения электродов 4, 5 можно предположить, что:

R e 12=R e 13=R e 23

и

R e 14=R e 34=R e 42.

Следовательно:

и

Индивидуальные сопротивления можно определить, решив систему уравнений. Следующие способы измерений можно затем использовать для определения типа материала:

Удельное сопротивление rs материала или кажущееся удельное сопротивление смеси материалов, например минерала и смежной породы, определяют с помощью приложения переменного напряжения U и инжектирования тока I между парами электродов, образованными центральным электродом 4 и наружными электродами 5, и измерения данных величин. Измерение можно проводить как при неподвижном положении сенсора, так и при условии перемещения сенсорных устройств и измерение можно выполнять, например, через центральный электрод 4 или же дополнительный измерительный электрод.

Контактное сопротивление как опорную переменную для свойств поверхности геологической среды, находящейся в контакте с сенсорной головкой, или типа ее материала можно также вывести при перемещениях сенсорного устройства, например при перемещениях работающей машины по ходу разработки. Перемещение сенсорного устройства или сенсорной головки параллельно поверхности слоя геологической среды приводит к изменениям контактного сопротивления. Амплитуда и частота данных флуктуаций сопротивления является функцией свойств поверхности материала, поскольку они характеризуют конкретные свойства поверхности и/или типы материала.

Наконец, можно также использовать вызванную поляризацию как в вариантах перемещений сенсорного устройства, так и неподвижных сенсорных устройств. Поляризационный эффект имеет электрохимическую природу. Он является результатом, с одной стороны, разницы в ионной проводимости камня и электронной проводимости металлических частиц камня и, с другой стороны, пространственно зависимой подвижности ионов, обусловленной изменением размера пор в камне. Электрическая работа, таким образом, требуется для получения возможности развития поляризации. Такую работу можно измерить, приложив напряжение U между парой наружных электродов 5 и/или парой из наружного и внутреннего электродов 5, 4. Если напряжение отключить, работа, накопленная в геологической среде, высвобождается в форме электрической энергии, и это можно видеть, в свою очередь, на профиле измеренного напряжения.

На Фиг.4 еще раз показан, теперь в разобранном виде, образец предпочтительного варианта осуществления сенсорного устройства 10 для установки в рештаках конвейера в выемочной машине. Для обеспечения подачи напряжения или соединения электронной измерительной системы с наружными электродами 5 и центральными электродами 4 центральный электрод 4 содержит электродный стержень 14, установленный на центральной оси M и имеющий утолщенную электродную головку 15, а индивидуальные наружные электроды 5 образуют удлиненные оболочки в виде сегментов, в таком варианте с каждой с перемычкой 6 в виде сегмента кольца сзади в каждом случае интегрально соединена удлиненная контактная вставка 16, которая, если приемлемо, имея дополнительный уступ для установки через ступень, проходит до заднего конца кожуха, образованного передней частью 9 и задней частью 11.

Контакт между внутренним электродом 4 и наружными электродами 5 может затем быть выполнен с заднего конца кожуха 2, то есть в защищенной зоне. Установка наружных электродов 5, которые здесь имеют форму оболочек в виде сегментов, выполнены с помощью удерживающих штифтов 17, на которые могут быть установлены контактные вставки 16. В целом, сенсорное устройство 10 содержит внутренний корпус 18, предпочтительно выполненный из электроизоляционного пластикового материала, такого, в частности, как термопласт, который может быть армирован пластиковыми волокнами. Передняя часть 9 кожуха 2 надвигается сверху на контактные вставки 16 так, что в смонтированном состоянии, как показано Фиг.1 в качестве примера, только передние, выступающие вбок кольцевые перемычки 6 наружных электродов 5 являются открытыми воздействию на сенсорной измерительной поверхности 3. Пространство между кольцевыми перемычками 6 смежных наружных электродов 5 заполнено здесь радиальными перемычками, предпочтительно сконструированными интегрально на внутреннем корпусе 18, в частности на секции внутреннего корпуса 18, образующей измерительную поверхность 3.

В показанном примере варианта осуществления передняя часть 9 и задняя часть 11 скреплены друг с другом с помощью болтов, которые не показаны. Центрующие шпонки 20 можно крепить одновременно на кожух 2 сенсорного устройства 10 с помощью болтового крепления. Центрующие шпонки 20 могут не только осуществлять точную установку на место сенсорного устройства 10 в креплениях на выемочной машине, но также могут образовывать останавливающий упор, до которого может перемещаться сенсорная головка работающей на сжатие пружиной из несущей части выемочной машины.

На Фиг.5 показана весьма упрощенная схема измерительной поверхности 53 сенсорной головки 51 сенсорного устройства 50 согласно второму примеру варианта осуществления. Как и в первом примере варианта осуществления, наружные электроды 55 здесь также реализованы в виде перемычек 56 в виде сегментов кольца, которые предпочтительно проходят по боковой поверхности сенсорной головки 51 и по сенсорной измерительной поверхности 53, и в данном варианте, в свою очередь, выполнена фаска, как описано дополнительно выше, между сенсорной измерительной поверхностью 53 и боковой поверхностью. В отличие от предыдущего примера варианта осуществления, вместе с тем, здесь внутренний электрод 54 на сенсорной измерительной поверхности 53 представляет собой кольцо. Следовательно, устройство электродов 54, 55 в виде кольца в кольце осуществлено в варианте сенсорного устройства 5. Перемычки 56 в форме сегментов кольца наружных электродов 55 образуют кольцо диаметром R вокруг центральной оси M, и внутренний электрод 54 образует кольцо диаметром r. Такое устройство в виде кольца в кольце образует особенно предпочтительную геометрическую расстановку внутренних и наружных электродов 54, 56 для исследования геологической среды, в которой только сенсорная измерительная поверхность 53 сенсорной головки 51 входит в контакт с поверхностью геологической среды. В частности, глубину исследования можно определить приблизительно с помощью сенсорной измерительной головки 51 через радиус R наружных электродов 56, поскольку глубина исследования составляет приблизительно один-два диаметра с наружным радиусом R, т.е. около 2R-4R.

Оптимальное соотношение радиусов r к R, т.е. радиуса r внутреннего кольца к радиусу R наружного кольца, составляет приблизительно 1/3. Толщина стенки индивидуальных колец должна составлять приблизительно 1/10 диаметра кольца, образованного наружными электродами 55, то есть около R/5, что в частности предпочтительно, когда диаметр 2R кольца, образованного наружными электродами 55, не меньше около 60 мм. Индивидуальные кольцевые перемычки 56 наружных электродов 55 здесь должны иметь разнос, составляющий по меньшей мере 2 мм и, в свою очередь, как описано дополнительно выше, быть заполненными электроизоляционным материалом таким, например, как термопласт. Напряжения можно прикладывать между индивидуальными электродами 54, 55, благодаря наличию электроизоляционного материала. Очевидно, что, с этой целью индивидуальные электроды 54, 55 должны быть электропроводными, при этом, как описано дополнительно выше, они подходят для подачи напряжения от задней стороны сенсорного устройства и/или могут использоваться как измерительные электроды. Пластик, используемый для электроизоляции на измерительной поверхности 53, должен предпочтительно иметь стойкость к износу. Это можно получить, например, применяя волокна в соединении с соответствующим модифицированным термопластом.

Глубина исследования с помощью сенсорных устройств 10 или 50 имеет соотношение 1/1-1/2 с диаметром электрода. Возможно получение максимальной глубины исследования около 120 мм в варианте сенсорного устройства с наружными электродами, образующими сенсорную головку диаметром 60 мм. Разрешение сенсора является функцией глубины исследования. Отношение составляет около 1/10. На глубине исследования 120 мм поэтому возможно обнаружение профилей слоев в месторождении полезных ископаемых с точностью 12 мм. Токи и напряжения измерений, подаваемые в сенсорное устройство изобретения, можно поддерживать низкими; мощность, требуемая для развития внешних полей потенциала, может предпочтительно оставаться значительно ниже 2 Вт и при этом также отвечать требованиям для взрывобезопасности.

На Фиг.6 в качестве примера весьма упрощенно показана схема рештака 190, такого, который можно использовать, например, как транспортирующий рештак с встроенной дорожкой 160 для машины на цепном конвейере подземного струга. Выемочная машина, такая, например, как угольный струг, может опираться на дорожку 160 машины. В показанном примере варианта осуществления выполнен в рештаке 190 как можно ближе за дорожкой 160 машины, т.е. относительно близко к фронту работ, вырез 165, в котором может быть установлено сенсорное устройство 10, описанное выше и показанное на Фиг. 1-3. На Фиг.6 позиция 170 показывает поверхность геологической среды, подлежащей исследованию, такую как, в частности, поверхность залежи минерального сырья, которая показана здесь с сильной складчатостью. Даже в варианте складчатого профиля считается возможным использование сенсорного устройства 10 для входа в контакт с поверхностью 170 геологической среды, поскольку измерительная поверхность 3 сенсора на сенсорной головке 1 выступает, соответственно, далеко за низ дорожки 160 для машины. На Фиг.6 также опять показана фаска 12 на сенсорной головке 1, проходящая по ее окружности. Как дополнительная мера защиты, является возможным устройство здесь под дорожкой 160 для машины, по меньшей мере, в направлении А перемещения выемочной машины, скреперной кромки 180, защищающей сенсорную головку 1 от повреждения уступами или кромками в слое геологической среды с помощью их срезания, если приемлемо.

На Фиг.7 только схематично показан альтернативный пример варианта осуществления сенсорного устройства 210, являющегося, в общем, плоским и расположенного на нижней стороне рештака 290, вновь только указанного, с дорожкой 260 для машины. Сенсорное устройств 210 может здесь быть установлено на поворотном шарнире снизу от дорожки 260 для машины на поворотном рычаге 285 и поворотном шарнире с возможностью, как правило, опираться в любое время на поверхность 270, залежи минерального сырья под действием силы тяжести. Поскольку выступающие сенсорные части отсутствуют, отсутствует риск срезания сенсорной головки.

Приведенное выше описание дает специалисту в данной области техники возможность для ряда модификаций, относящихся к объему защиты зависимых пунктов формулы изобретения. Сенсоры и/или сенсорные устройства для встраивания в части машины, в частности рештаки, в основном для подземной разработки угольных пластов в качестве залежей полезных ископаемых показаны во всех примерах вариантов осуществления. Форма кожуха, поэтому, в основном выполнена с возможностью установки сенсорных устройств в цилиндрических приемных гнездах. В других вариантах применения для разведки геологической среды форма корпуса может существенно отличаться и быть квадратной, прямоугольной, круглой, плоской и т.д. по конструктивному исполнению. В примерах вариантов осуществления, соответственно, показаны круглые сенсорные головки. Данную форму также можно модифицировать и задавать режим функционирования для устройства с двумя квадратными или треугольными электродами, или с квадратным, или треугольным внутренним электродом и линейными наружными электродами. Характеристики разноса/сопротивления должны оставаться неизменными и должны просто сдвигаться. Кроме того, в примерах вариантов осуществления исключительно показаны сенсорные головки с электродами, расставленными единообразно и/или симметрично, поскольку в варианте единообразной геометрической расстановки электродов соответствующие единообразно расположенные пары электродов дают в результате существенное упрощение сложных схем определения и уточнения кажущегося сопротивления. Вместе с тем, также возможно не единообразное расположение электродов, в таком варианте необходимо учитывать различные разносы между парами электродов.

1. Сенсорное устройство для геоэлектрического исследования залежей минерального сырья, в частности, при непрерывной разработке залежей минерального сырья, содержащее сенсорную головку (1; 51), торцевая поверхность которой образует сенсорную измерительную поверхность (3; 53), при этом сенсорная головка (1; 51) выполнена с возможностью входа в контакт с поверхностью геологической среды; центральный электрод (4; 54), расположенный на сенсорной измерительной поверхности (3; 53), и множество наружных электродов (5; 55), расположенных геометрически единообразно вокруг центрального электрода (4; 54) на сенсорной измерительной поверхности (3; 53), при этом наружные электроды (5; 55) конструктивно выполнены как электроды в виде сегментов кольца и расположены по кольцу вокруг центрального электрода (4; 54), в котором центральный электрод (4; 54) и наружные электроды (5; 55) являются электропроводными, электрически изолированными друг от друга и образуют пары электродов (4, 5; 5, 5; 54, 55; 55, 55), с помощью которых развивают поле потенциала.

2. Сенсорное устройство по п. 1, в котором центральный электрод (4) на сенсорной измерительной поверхности (3) конструктивно выполнен как точечный электрод.

3. Сенсорное устройство по п. 1, в котором центральный электрод (54) на сенсорной измерительной поверхности (53) конструктивно выполнен как кольцевой электрод.

4. Сенсорное устройство по п. 1, которое содержит цилиндрический кожух (2) с концами цилиндра, с сенсорной головкой (1), расположенной на одном конце цилиндра, при этом, предпочтительно, кожух (2) снабжен уступом (7), причем заплечик уступа, предпочтительно, образует опорную поверхность для работающей на сжатие пружины.

5. Сенсорное устройство по п. 1, в котором электроды в виде сегментов кольца на сенсорной измерительной поверхности (3) конструктивно исполнены как перемычки (6) в виде сегментов кольца, проходящие по передней поверхности сенсорной головки (1) и по боковой поверхности сенсорной головки, и в котором, предпочтительно, наружные электроды (5) снабжены на переходе передней поверхности в боковую поверхность фаской (12) предпочтительно под углом 45°.

6. Сенсорное устройство по п. 4, в котором наружный электрод (5) на задней стороне в перемычке (6) в виде сегмента кольца снабжен контактной вставкой (16), проходящей до заднего конца корпуса.

7. Сенсорное устройство по п. 4, в котором кожух (2) конструктивно выполнен из нескольких частей и имеет заднюю часть (9), содержащую заплечик уступа, и переднюю часть (8), снабженную сенсорной головкой (1), возможно соединение частей (8, 9) кожуха друг с другом болтами, проходящими через заплечик уступа, и в котором центрующие шпонки (20) могут съемно крепиться на кожухе (2) с помощью болтового крепления.

8. Сенсорное устройство по п. 1, в котором соотношение (r/R) между радиусом (r), построенным от внутренних электродов (54) до центральной оси (M), и радиусом (R), построенным от наружных электродов (56) до центральной оси, составляет приблизительно 1/3.

9. Сенсорное устройство по п. 1, в котором наружные электроды образуют кольцо диаметром, по меньшей мере, 60 мм, и/или наружные кольцевые электроды имеют ширину в радиальном направлении, составляющую приблизительно 1/10R, и/или разнос между двумя наружными электродами, заполненный электроизоляционным материалом, составляет по меньшей мере 2 мм.

10. Сенсорное устройство по п. 1, которое можно использовать на элементе (190; 290) рештака подземной выемочной машины, в частности подземной угледобывающей машины, при этом, предпочтительно, сенсорное устройство может быть вставлено в открытый снизу цилиндрический вырез (195) на элементе (190) рештака и/или сенсорная головка (210) установлена на поворотном рычаге (285), закрепленном на поворотном шарнире снизу элемента (290) рештака.

11. Способ геоэлектрического исследования залежей минерального сырья в геологической среде, в частности, при непрерывной разработке залежей минерального сырья, включающий в себя развитие поля потенциала в геологической среде с помощью сенсорного устройства (10), содержащего сенсорную головку (1; 51), торцевая поверхность которой образует сенсорную измерительную поверхность (3; 53), при этом сенсорная головка (1; 51) выполнена с возможностью входа в контакт с поверхностью геологической среды; центральный электрод (4; 54), расположенный на сенсорной измерительной поверхности (3; 53); и множество наружных электродов (5; 55), расположенных геометрически единообразно вокруг центрального электрода (4; 54) на сенсорной измерительной поверхности (3; 53), при этом наружные электроды (5; 55) конструктивно выполнены как электроды в виде сегментов кольца и расположены по кольцу вокруг центрального электрода (4; 54), в котором центральный электрод (4; 54) и наружные электроды (5; 55) являются электропроводными, электрически изолированными друг от друга и образуют пары (4, 5; 5, 5; 54, 55; 55, 55) электродов, с помощью которых развивают поле потенциала; и измерение полученного тока.

12. Способ по п. 11, в котором эквивалентное сопротивление между всеми парами (4, 5; 5, 5; 54, 55; 55, 55) электродов сенсорной головки (1; 51) измеряют для исследования удельного сопротивления материала в геологической среде перед сенсорной головкой (1; 51), входящей в контакт с поверхностью геологической среды.

13. Способ по п. 11, в котором для определения поверхности измеряют изменение в контактном сопротивлении между электродами в паре (4, 5; 5, 5; 54, 55; 55, 55) электродов во время перемещения сенсорной головки (1; 51) вдоль поверхности.

14. Способ по пп. 11, 12 или 13, в котором поля потенциала или контактное сопротивление определяют без проникновения сенсорной головки (1; 51) в геологическую среду.

15. Способ по п. 11, в котором, по меньшей мере, два электрода замыкают накоротко для образования большого электрода и/или используют сенсорное устройство (10) по одному из пп. 1-10.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к детектору для обнаружения и определения положения скрытых объектов в исследуемом объекте. .

Изобретение относится к области геофизики и может быть использовано для определения стационарного геомагнитного поля при проведении морской магнитной съемки. .

Изобретение относится к морской геоэлектроразведке и предназначено для обнаружения подповерхностных углеводородных коллекторов. .

Изобретение относится к морской геоэлектроразведке с использованием контролируемых искусственных источников электромагнитного поля. .

Изобретение относится к средствам подводного исследования и предназначено для выполнения подводных измерений геологических формаций, включающее в себя центральную конструкцию и штанги, прикрепленные к центральной конструкции, так что они могут поворачиваться относительно центральной конструкции.

Изобретение относится к области обнаружения скрытых объектов, например подземных трубопроводов. .

Изобретение относится к вычислительной технике и землеройной технике и предназначено для сбора геологических данных и данных о местоположении, а также для управления землеройной машиной.

Изобретение относится к морской электроразведке и предназначается для исследования удельного электрического сопротивления придонных морских отложений . .

Изобретение относится к геофизическому приборостроению, в частности к магнитометрам, предназначенным для измерения постоянных геомагнитных полей, и может быть использовано для регистрации в движении локальных аномалий главного магнитного поля Земли, создаваемых неоднородностями нерудной природы.

Изобретение относится к области разведочной геофизики и может быть использовано для прогнозирования залежей углеводородов под морским дном и изучения глубинного строения земной коры.

Устройство относится к электроизмерениям и может быть использовано для исследования турбулентности в потоке слабо электропроводящей жидкости, например морской или пресной воды.

Изобретение относится к области геофизики и может быть использовано при мониторинге катастрофических явлений, например землетрясений. .

Изобретение относится к способу и устройству для интегрирования измерений удельного сопротивления в электромагнитный ("ЭМ") телеметрический инструмент. .

Изобретение относится к электроразведке методом электросопротивления. .

Изобретение относится к геоэлектроразведке и предназначено для регистрации внутренних изменений структуры массива горных пород, в частности образования закрытых полостей, трещиноватых зон, зон тектонического дробления.

Изобретение относится к геофизике и может быть использовано для инженерно-геологического обеспечения при проектировании и строительстве гражданских и промышленных объектов в криолитозоне.

Изобретение относится к измерениям свойств геологических объектов. .

Изобретение относится к электроразведке методом электросопротивления. .

Изобретение относится к области разведочной геофизики. .

Изобретение относится к горной промышленности и может быть использовано при селективной разработке сложноструктурных месторождений с помощью карьерных комбайнов.

Изобретение относится к области геофизики и может быть использовано при исследовании залежей минерального сырья в геологической среде. Изобретение относится к сенсорному устройству и способу геоэлектрического исследования местоположения, стратиграфической разбивки и простирания залежей минерального сырья и смежных горных пород, оконтуривающих данные залежи. Заявленное сенсорное устройство имеет сенсорную головку, торцевая поверхность которой образует сенсорную измерительную поверхность, и по меньшей мере один электрод. Согласно изобретению сенсорная головка может устанавливать контакт с поверхностью геологической среды, и центральный электрод и множество наружных электродов, расставленные геометрически единообразно вокруг центрального электрода, располагаются на сенсорной измерительной поверхности. Причем центральный электрод и наружные электроды являются электропроводными и электрически изолированными друг от друга. Технический результат - повышение точности данных исследования залежи непосредственно в процессе ее разработки. 2 н. и 13 з.п. ф-лы, 7 ил.

Наверх