Спосіб контролю напружено-деформованого стану масиву гірничих порід

Изобретение относится к геофизике, а именно к геоэлектроразведке и предназначено для осуществления электрометрического контроля состояния деформирования земной поверхности при ведении горных работ. Изобретение иллюстрируется чертежами, где на фиг.1 представлена схема стационарной электрической установки с измерителем 1, переключающим устройством 2, генератором тока 3, переключающим устройством 4, и системой электродов 5. На фиг. 2 - показана связь деформаций массива с изменением проводимости и анизотропии горных пород подрабатываемого массива; на фиг. 3 - вариационные кривые изменения относительных отклонений удельных электрических сопротивлений и деформаций от их средних значений: а -значения геоэлектрических r и деформационных параметров x "не возмущенного" массива горных пород; б - изменения r и x в начальной стадии обработки угольного пласта; в,г - изменения r и x в процессе подработки на активной стадии процесса сдвижения Способ осуществляют следующим образом. На участках, имеющих ослабленные зоны, 8 предлагаемой мульде сдвижения по профильным линиям, расположенных по простиранию и вкрест простирания угольного пласта закладывают стационарные электроды предлагаемой конструкции. Электрод состоит из пустотелого металлического цилиндра, во внутренней поверхности которого проложен изолированный проводник, при этом нижний конец его имеет токопроводящий элемент. Контакт с исследуемой средой осуществляется через металлический наконечник с нержавеющим покрытием, что обеспечивает поле точечного диполя. Подключение источника тока осуществляют через однополюсный штекерный разъем. Диэлектрические (полиэтиленовые) втулки устраняют распределение электрического потенциала по всей длине электрода. Для выполнения инструментальных наблюдений предусматривается защитная крышка с прорезью. Закладку электродов осуществляют следующим образом. Буром, имеющим диаметр на 3-5мм меньше диаметра электрода, бурится скважина глубиной соответствующей длине металлического корпуса электрода (в Донбассе до 1 м). Проводится плановая и высотная привязка электродов. Затем проводят первую серию инструментальных наблюдений, которая включает нивелирование и линейно-угловую триангуляцию III класса. Электрометрическая установка состоит из питающего диполя AB, расположенного в центре, и двух осевых диполей М1М2, N1N2 , расположенных по обе стороны от AB. При каждой расстановке электродов выполняют 4 измерения напряжения DUM1N1, DUM2N2 , DU M1N 2. DU M1N2, и одно измерение силы тока в линии AB. По результатам измерений вычисляют значения кажущегося сопротивления (КС) для установки Шлюмберже где К - геометрический коэффициент для соответственных установок, Путем переключения увеличиваем расстояние между питающими и приемными электродами, при каждой следующей расстановке электроды M1N1 занимают предыдущие положения электродов M2N2. Таким образом, имеет два значения для разных AB: При каждом разносе крестообразной установки КСДЭЗ определялось значение коэффициента анизотропии, для различных глубин. При этом значения коэффициента условно относились к глубине, равной 1/4 разноса. Это позволит при площадных электрометрических измерениях проводить картирование различающихся по сопротивлениям пород горного массива как по площади, так и по глубине. Вышеописанные операции проводят до подработки угольного пласта с целью определения механических и электрических параметров в естественном состоянии. В процессе отработки угольного пласта проводятся серии измерений, цикличность которых определяется горно-геологическими условиями (скорость подвигания очистного забоя, способ крепления, глубина залегания угольного пласта, наличие тектонических нарушений и др.). Режимные измерения осуществляют в процессе отработки лавы до окончания активной стадии процесса сдвижения. В результате измерений получают механические и соответствующие им электрометрические характеристики массива в различных стадиях процесса сдвижения. Геомеханическая интерпретация данных режимных электрометрических наблюдений проводится на основе корреляции временных изменений параметров электрического поля, а именно, кажущегося удельного сопротивления rк и коэффициента l анизотропии с соответствующими измерениями параметров механических характеристик среды, а именно, величины вертикальных сдвижений земной поверхности hмм и величина горизонтальных сдвижений xмм - проекции главного вектора сдвижения на горизонтальную и вертикальную оси соответственно. Фиксируя все изменения в положении электродов систематическими инструментальными наблюдениями и вариации электрического пола в процессе подвигания очистного забоя, строят карты зон растяжения и сжатия в мульде сдвижения, пониженной и повышенной активности деформационного процесса. Получают зависимость величины электрического сопротивления от величины деформирования массива, по которой определяют стадию процесса сдвижения до аномального его проявления. В результате устанавливаются закономерности изменения состояния и свойств подрабатываемого массива в пространстве и во времени, определяющие характер деформационного процесса. Характерный пример получаемого полевого материала иллюстрируют фиг.2 и фиг.3. Связь деформаций массива с изменением проводимости и анизотропии горных пород подрабатываемого массива представлен на фиг.2. Изменения электросопротивления между периодами измерений колеблются в широких пределах и полностью отображают характер деформационных процессов, происходящих в напряженном массиве под влиянием сил сжатия и растяжения. Наиболее тесная корреляционная связь деформаций интервалов с изменениями электросопротивления с коэффициентом корреляции более 0,8, проявляется в подработанном массиве, где преобладают растягивающие напряжения. При сжатии вследствие большей чувствительности электрической анизотропии к процессам трещинообразования, связанным с разрушением породного массива, связь деформаций и изменением электросопротивления не столь явна, однако это обстоятельство не мешает правильной трактовке вариаций электросопротивления во времени. С целью объективного выявления закономерных изменений геоэлектрических параметров пород во времени строятся вариационные кривые изменения относительных отклонений удельных электрических сопротивлений и деформаций от их средних значений. Как видно из фиг.3 для "невозмущенных" циклов наблюдения характерно близкое к нормальному распределению относительных отклонений от средних значений r и x. Изменения геоэлектрических параметров в начальной стадии отработки угольного пласта не выделяются на фоне случайных ошибок интерпретации. Нормальный закон распределения отклонений от среднего нарушения в момент зарождения опасных деформаций. Наблюдающиеся сочетания экстремумов на вариационных кривых указывают на накопление массивом энергии упругих деформаций, что позволяет осуществить прогноз возникновения опасных деформаций на ранней стадии до того, как это может быть зафиксировано визуальными наблюдениями. Таким образом, осуществление контроля предлагаемым способом достаточно надежно описывает геомеханическое состояние напряженного массива, а скорость изменения электросопротивления позволяет осуществлять прогноз сосредоточенных деформаций. При этом критериями прогноза является уровень электросопротивления по всей профильной линии, показатели уплотненности, а следовательно и способности массива к накоплению энергии упругих деформаций. Предлагаемый способ, в отличие от прототипа, позволяет значительно повысить достоверность прогноза опасных деформационных явлений на ранней стадии их зарождения путем измерения с единой стационарной установки ряда характеристик, отражающих изменения различных параметров среды (электрических, механических), полученных на одном и том же масштабном уровне и в полностью идентичных условиях состояния исследуемой среды. Кроме того, анализ полученных параметров позволяет оценить не только качественные показатели протекающих процессов, но и количественные. Применение предлагаемой стационарной установки позволяет упростить технологию исследования, так как режимные измерения не требуют механического перемещения электродов по профилю, что обуславливает высокую точность снятия параметра.