Спосіб визначення зон напруженного стану гірничих порід

g is Спосіб визначення зон напруженого сі ану гірничих порід Винахід відноситься до гірничої справи, а саме до способів контролю напруженого стану гірничих порід навколо виробок, і може знайти застосування як для визначення структури гірничого масиву, іак і для пошуку локальних зон порушень та перенапруг викликаних теологічними, техногенними, технологічними або і еомеханічними аномаліями Винахід також може бути використаний, наприклад, для оцінки стану будівельних конструкцій. Відомі численні геофізичні способи контролю та прогнозування стану масивів гірничих порід, гірничих виробок га ін., що засновані на вимірі різноманітних фізичних характеристик природних та наведених полів в залежності від поставлених цілей; гсоелектророзвідка, сейсмічна розвідка, електромагнітна розвідка, спосіб акустичної емісії, електромагнітної емісії, радіохвильові способи свердповиниої шахтної геофізики, радіохвильові системи іюдпоиерхііього зондування та ін. (див, наприклад: 1) Петровский А. Д. Радиоволне вые методы в подземной геофизике, М. Недра, 1971г.; 2) Финкельштейн и др. Подповерхностная локация, Мэ Радио и связь, 1994г.; 3) Физические процессы горного производства. Тезисы докладов X Всесоюзной научной конференции вузов СССР с участием НИИ, Москва, 1991г). Відомі способи визначення напруженого стану гірничих порід, що необхідно знати при прогнозуванні потенційної викидонебезпечності пластів та контролі ефективності заходів боротьби з гірничими ударами іа раптовими викидами вугілля і газу (див. наприклад, Васильчеїіко MIL, 2 Пелех Б.Л. Основы электромагнитного метода, исследование напряжений в анизотропных средах, Киев. Наукова думка, 1980г.}. По а. с. СРСР № 622987, B21F S/M ; П21С 39 /w (бюл. № 38, 1978г.) відомий спосіб визначення іони напруженого стану прничш'о масиву, включак>чий бурінїш свердловин, введення неполяризуючих електродів в кожну свердловину га вимір електричних характеристик гірничих порід в цих свердловинах* згідно якому дня підвищення точності визначення зон з небезпечною концентрацією напружень в якості елекгричкої характеристики вимірююіь градіент електричної о погенціаиу порід протягом ДОВЖИНИ ВСІЄЇ свердловини іа по зміні останнього судять про напружений стан масиву, причому кордон небезпечної зони встановлюють по відповідності місця виміру градієнту його величині, що переходить нульове значення. До недоліків відомого рішення, навіть нєзважючи на його відносну простоту, можна віднести обов'язкове буріння свердловин, виготовлення спеціальних градієнт-зондів та вимірювальної апаратури. Ці ж недоліки притаманні і цілому ряду інших відомих рішень тцодо визначення напружень в гірничих породах^ виявлених в результаті проведеного авторами патентноінформацішюго пошуку по заявці (див., наприклад, ас. СРСР № 729348, Е21С 39/оо (бюл. № 15, 1980 р.) «Способ определения напряжений в массиве горных пород»; а.с. СССР Ха 962616, Е21С *7оо (бюл. № 36, 1982 p.) «Способ контроля напряженного состояния массива горных пород»; а. с. СРСР Ко 1157506, G01V3/10 (бюл. №> 19, 1985 р.) «Способ оценки изменений напряженного состояния элементов горных выработок»; ас. СРСР № 1209859, E21C'V GOlV^/w (бюл. Х 5, 1986 р.) Як прототип вибране рішення по я. с. СРСР № 627697, Е21С 3%о (бюл. № 6, 1991 р.) на «Способ определения распределения напряжений в массиве горных пород», співпадаюче з винаходом, ЇДО заявляється., по вирішуємій задачі, а також по ряду вагомих иризнаків5 в тому числі, спробі з встановлення відповідності характеру зміни вибраного числового критерію оцінки напруженого стану зі зміною величини гірничого тиску. Згідно прототипу в очисному або підготовчому вибої вибирають місце для буріння свердловини, а на відстані 2 - 5 м від нього на породах покрівлі спеціальним способом встановлюють сейсмоприймач, підключають його до реєструючого приладу, що забезпечує отримання амтшітудно-чаетотньіх характеристик (ЛЧХ) сейсмоакустичного сигналу в діапазонах частот 40 10000 Гц. Реєстрацію сейсмоакустичного сигналу також можна виробляти на магнітному носії з наступним його аналізом на поверхні, наприклад, з використ аниям швидкого перегворення Фурье на ЕОМ. Заздалегідь ударами по породі покрівлі поблизу місця передбачуваного буріння свердловини здійснюють імпульсне збудження акустичних сигналів та визначають їхні ЛТ ЇХ. По АЧХ встановлюють власні резонансні часготи кожного окремого шару гірничих порід. Для встановлення зв'язку резонансної частоти з визначаємим шаром гірничих порід додаїково залучають дані про будову вуглевміигуючих порід з результатів геологічної розвідки. Після ЦЬОГО ЗДІЙСНЮЮТЬ буріння свердловини з одночасною безперервною реестращею сейсмоакустичного сигналу. Всю свердловину розбивають на окремі інтервали, величини яких залежать від необхідної детальності вивчення характеру розподілу напружень в вуглемістячому масиві, як правило, 0.2 * 0.5 м. У прототипу та винаходу, що заявляється, загальними с наступні суттєві ознаки вплив на масив послідовністю імпульсних сигналів; реєстрація відбитих сигналів та їхня цифрова обробка; визначення амплітудно-частотных характеристик відбитих сигаалів з виділенням критерію, по зміні якого судять про розподіл напружень. До недоліків прототипу слід віднести практично всі ті ж недоліки, що раніше були вказані для знайдених аналогів, а саме; необхідність буріння 4 свердловин, а також необхідність притягнення додагкових відомостей про геопогічну будову ділілшш масиву порід ,що вивчається. В основу винаходу поставлена задача вдосконалення відомого способу визначення локальних зон напруженого сі ану гірничих порід, в якому, за рахунок особливостей апаратури, що застосовується, та обробки відбитих сиіватив. виключаються трудомісткі операції по бурінню свердловин поширюються функціональні можливості контролю, покращугться технологичність процесу оцінки напруженості гірничих порід, включаюча в тому числі швидкість зйому та обробки інформації, наочність подання слану гірничих порід, що досліджувалися. Поставлена задача вирішуйься тим» що в засобі визначення зон напруженого стану гірничих порід, включаючому вплив на поверхню, що досліджується, послідовністю імпульсних сигналів, реєстрацію відбших сигналів і їхню цифрову обробку, визначення амплітудно-частотних характерисгик відбиіих сигналів. ЗПДНО ВИНАХОДУ, ШІІШВ на поверхню ,що досліджується, здійснюють безконтактно элек іромагні гними імпульсами георадара з відстані 1 5 - 2 0 см від поверхні, що досяіджуст ься, встановлюють діапазон виміру частот відбитих радіосигналів, розбивають йою на «ш» інтервалів по 20 МГц в кожному інтервалі та обчислюють нарамеір напруженого стану по формулі. Ю - часі от а зондуючої о электромагнп ного імпульсу, МГц; є- діелектрична проникненість порід, що досліджуються. k (s, fO) - коефіцієнт врахування властивостей гірничих порід, що залежить від є і а Ю; D - дисперсія максимального значення амплітуд А і, у «гп» інтервалах, що характеризує рівномірність розподілу амплпуд у «т» інтервалах виміру частот, по формулі: 1 — ^ ----- з де. - максимальні значення амплітуди частоти fi у L-тому інтервалі: , і—kl, к2; fi - частота відбитого сигналу, МІТД; і^1;«,де п - число відрахувань у реалізації сигналу; kl -початок Інго інтервалу частоти; к2 - кінець L-ro інтервалу частот й; kl=nl (L-1) -і 1; k2--nl x L; пі п т Атхх - середнє значення максимальних амшіііуд^ для «пі» інтервалів часгоі; S - показник зміщення спектру в сторону низьких частот, по формулі m- c- A t fL с- константа, що залежить від кількості інтервалів «т»: І А //І - /о / . /L' частота, для якої А ((&)--AL; Amax - максимальне значення амплітуди частот fi у всьому інтервалі виміру частот: І про напружений стан порід судяїь по виникненню «віяла» частот в спектрі відбитих радіосигналів та по зміщенню його в бік низьких частот у випадку напружень стиску. Перераховані вище признаки способу складають суттєвість винаходу дцо заявияпься. Причнинно-наслідковий зв'язок ігризнйків винаходу результатом, що досягається, витжаг з наступного. я технічним Іасгосуваїпія способів радиолокацтї ЛІЇІГ визначення структури гірничих порід відомо з 1910 р. (Ржевский В.В., Корснберг ІІ.Б. Рудничная 6 рядиоэнтроскогшя и радиосвязь. М, Недра, 1978 р ). Основною перешкодою для широкого використання цього способу в гірничій справі с властивість більшості гірничих порід до підвищеного поглинання електромагнітних хвиль, що не дозволяла радиолокши'ї посісіи іідне місце серед інших неиорушуючмх способів дослідження гірничих порід. В останні роки радіохвильові способи підповерхнього зондування діелектричних аномалій отримані* подальший розвиток (Андреев Г. А , Зайцев Л. В, Яковлев ВІЗ. Радиоволновые системы подповерхностного зондирования, Москва, Радио и связь, № 2, 1991 р , стр.3-22). Детальний аналіз радиоімпульсньїх систем, mo отримали найбільше розповсюдження в системах подповерхнього зондування, наведений на сіор 8-1 ] вищезазначеної оглядової статті. За допомогою георадара «Чонд - 8», що належить до означених радио ім пульсних с истем, б ула провед ена в елика кіль кість експериментальних досліджень еіруктури та стану гірничого масиву в умовах вугільних, сланцевих та соляних (калійних та кам'яних) шахт. Основна область застосування георадара обмежена отриманням інформації про локальну структуру порід на невеликих глибинах від поверхні, що досліджується (порядку декількох метрів). Досліди авторів довели, що радіолокаційне зондування з успіхом може засіоеовуватися як для пошуку зон підвищеної напруженості гірничою масиву, так і зон порушень та розвантажень. Відомо, що відбиті хвилі, наприклад, отримані при сейсмоакустичній розвідці, несуть в своїх спектрах інформацію про геологічну будову порід, різноманітні шари, аиомалиї та ін. Різноманітні способи математичної обробки спектрів відбитих сигналів дозволяють з достатньою для практичних цілей точністю судиш про сірукгуру та властивості порід на різних глибинах. Авторами, між іншим, було встановлено, що одиночный імпульс тривалістю 10 наносекунд, що посилається, при відбитті від неоднорідностей у напруженому гірничому масиві розкладається, як правило, на безліч сигналів з різноманітними 7 частотами таким чином, що спектр відбитого сигналу мае вигляд . За наявності напружень, пов'язаних з деформаціями стиску означене звіяло» частот зміщується в бік низьких частот, а за наявності напружень вигину - у бік високих частот. Даний висновок був додатково експериментально перевірений итляхом радиолокашйното зондування за допомогою георадара «Зонд - 8>> несучих вертикальних залізобетонних колон ] 1-поверхового будинку, в яких виключений чинник впливу різноманітних неоднорідіюстей та аномалій, звичайно присутніх в реальних гірничих породах. Нсзважючи на якісний характер оцінки напруженого сі ану, спосіб,що заявляється, дозволяє отримувати важливі для практики рекомендації. Крім і ото, досвідчені фахівці можуть діагностувати стан порід безпосередньо підчас вимірів по вигляду відбитого сигналу. Нижче приводиться опис способу, що заявляється, з посиланнями на приклади його реалізації. На фіг. і для ілюсірації можливостей способу иідповерхньої радиолокации наведені радиолокацшні профілі визначення місцеїголоження вугільного пропластку в покрівлі 2-ої східної лави пласту к8 шахти їм. А, Г. Абакумова ВО