Спосіб розвідки порушень вугільних пластів попереду забоя виробки

1. Способ рззоедки нарушений угольных пластов впереди забоя выработки, в кото ром в горной выработке заземляют на за данном расстоянии друг от друга питающий и приемный диполи, причем первый элект род каждого диполя заземляют в кровлю угольного пласта, а второй - в его почву, пропускают через питающий диполь ток и измеряют разность потенциалов на прием-, ном дипопе, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что устанавливают поочередно в кровле и почве угольного пласта дополнительный питаю щий электрод, котооый поочередно подклю чают к первому и второму электродам питающего диполя и пропускают через этот дополнительный питающий электрод задан ную часть тока питающего диполя, рассчи тывают четыре значения кажущегося сопротивления для соответствующего поло жения дополнительного электрода и его подключения к электродам питающего ДИПОЛИ, затем измерения повторяют прм изменен ии расстояния между питающим диполем и дополнительным питающим электродом с шагом Дг, строят четыре графика зависимости кажущегося сопротивления or указанного расстояния, а о наличии нарушений угольного пласта судят по наличию противоположного знака градиентов левых ветвей пар графиков кажущегося сопротивления, полученных соответственно при подключении дополнительного электрода к первому электроду питающего диполя и перемещений дополнительного электрода по кровле пласта и подключений допалкитепьного электрода ко второму электроду питающего диполя и перемещении дополнительного электрода по почве пласта, а также при подключении дололнитзльного электрода к первому электроду питающего диполя и перемещении дополнительного электрода по почве пласта и под ключении дополнительного электрода ко второму электроду питающего диполя м перемещении дополнительного электрода по кровле пласта. 2 Способ по п. 1, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что максимальную величину заданного расстояния Плах между питающим и приемным диполями выбирают исходя из соотношения. 4 о* — 124 5 д S * Гглах * ( А - Ггпах + Д Г } J '—zrX г \ • ГТГ^г— Т где A- V('rmwt -Ar) 2+hr . > h — высота горной выработки -,. г ^• &« 6692 Изобретение относился к шахтной электроразпедке и может быть использозано для выявления нарушеиности каменноугольных пластов любого типа, преимущественно ппереди забоя горной выработки, о 5 том числе мзлозмплитудных нарушений, яаляющмхся основным источником внезапных выбросов при проведении подготовительных выработок. Изобретение также может быть использооано для выявления неодно- 10 родностей при подземной разработке пластовых залежей других полезных ископаемых. Изаестен способ выявления нарушений пластов из одиночной горной выработки [I], 15 при котором вводят в массив ток через пару питающих электродов, расположенных вдоль оси горной зыработки, измер'яют и фиксируют величину этого тока и разность потенциалов между двумя измерительными 20 электродами при их перемещении, при этом первый измерительный электрод заземля ют в забое горной выработки, питающие электроды заземляют в забое горной выра ботки, питающие электроды заземляют на 25 расстоянии L от первого измерительного электрода, превышающем глубину h иссле дования, второй измерительный электрод, при фиксированном положении остальных электродов, последовательно перемещают 30 по выработке от первого измерительного электрода к питающим электродам, а при повторном цикле измерений первый изме рительный электрод располагают на рас стоянии 1_1, от забоя, которое выбирают из 35 соотношения 0,4 I < Li 0,6 L. В соответст вии с известным способом расстояние L от первого измерительного электрода до пита ющих выбирают из соотношения 18 h < L < &5-10NA. Наиболее близким к предложенному техническому решению является способ[2], 55 согласно которому выявление нарушений впереди забоя выработки осуществляют методом подземных электрозондирований по-с ледова тельной и обращенной экваториально-дипольной установкой. В этом способе измерительный и питающий диполи, равные по длине и ориентированные по высоте выработки, заземляют по схеме кровля-почва угольного пласта. Преимущества экваториальной установки известного способа по сравнению с приведенными выше связанны с особенностями растекания тока в массиве в силу направляющего эффекта высокоомного каменноугольного пласта. Ток в силу того, что питающие электроды расположены вертикально, вынужден пересекать пласт под прямым углом. Поскольку в случае высокоомного пласта ток "старается" обойти угольный пласт, то он устремляется к окончанию угольного слоя, который упирается в зону нарушения. Как правило, на каменных углях зоны нарушений низкоомны по отношению к угольному пласту и вмещающей среде, т.е. являются проводниками. Когда зона нарушения становится проводником, вся ее поверхность, обращенная к установке, "всасывает" ток и его плотность в районе измерительных электродов несколько уменьшается, что ведет к уменьшению кажущегося сопротивления. Как следствие, кривые кажущегося сопротивления для этой установки являются более контрастными по сравнению с осевыми установками, в т.ч. упомянутыми выше. Недостатком известного способа являются невысокие точность и надежность. Низкая точность обусловлена интенсивным убыванием измеряемого сигнала с ростом разносов зондирований. Особенно интенсивное убывание измеряемого сигнала наблюдается на начальных разносах. Так, о однородной среде между разносами 10 и 20 м измеряемый сигнал уменьшается в 3,91 раза. Подобный ход кривой зондирования затрудняет выделение и оценку аномальных участков, из-за чего понижается точность способа. Невысокая надежность способа обусловлена низкой информативностью применяемой в нем установки; данная установка (дипольная) обладает симметрией относительио положения питающего и измерительного диполей MN и АВ, в силу чего последовательная и обращенная установка характеризуют выявляемую неоднородность практически одинаковыми по конфигурации кривыми, имеющими близкие значения измеряемого параметра. По этим кривым невозможно получить представление о пространственном положении выявляемой неоднородности, Задача изобретения - повышение надежности выявления нарушений угольного пласта. 6692 Решение поставленной задачи изобре тения достигается тем, что в известном спо собе разведки нарушений впереди забоя выработки, в котором в горной выработке заземляют на заданном расстоянии друг от 5 друга питающий и приемный диполи, при чем первый электрод каждого диполя зазем ляют в кровлю угольного пласта, а второй в его почву, пропускают через питающий диполь ток и измеряют разность потенциа- 10 лов на приемном диполе, согласно изобре тению, устанавливают поочередно в кровле и почве угольного пласта дополнительный питающий электрод, который поочередно подключают к первому и второму электро- 15 дам питающего диполя и пропускают через этот дополнительный питающий электрод заданную часть тока питающего диполя, рассчитывают четыре значения кажущегося сопротивления для соответствующего поло- 20 жения дополнительного электрода и его подключения к электродам питающего ди поля, зате і измерения повторяют при изменении расстояния между питающим диполем и дополнительным питающим 25 электродом с шагом А г, строят четыре гра фика зависимости кажущегося сопротивле ния от указанного расстояния, а о наличии нарушения угольного пласта судят по нали чию противоположного знака градиентов 30 левых ветвей пар графиков кажущегося со противления, полученных соответственно при подключении дополнительного элект рода к первому электроду питающего диполя и перемещении дополнительного 35 электрода по кровле пласта и подключении дополнительного электрода ко второму электроду питающего диполя и перемеще нии дополнительного электрода по почве пласта, а также при подключении дополни- 40 тельного электрода к первому электроду питающего диполя и перемещении дополнительного электрода по почве пласта и подключении дополнительного электрода ко второму электроду питающего диполя и 45 перемещении дополнительного электрода _ по кровле пласта. Максимальную величину заданного расстояния гглах между питаю щим и приемным диполями выбирают исхо дя из соотношения: 50 і 94 < А Гта * ~*~ г ) ' *~ тах ' ( Д ~ А * ( Гтах - А Г ) ( В - Гтах ~v(rmax-Ar)2+h h - высота горной выработки. Изобретение поясняется чертежами, на которых изображено: на фиг. 1 - геоэлектрическая модель разломной зоны и среды, принятая для численного моделирования, на фиг. 2 - результаты численного моделирования предложенного способа с моделью раэломной зоны. Как показано на фиг. 1, в горной выработке 1 с угольным пластом 2 размещены электроды 3 и 4 приемного (измерительного) диполя, электроды 5 и 6 питающего диполя, а также дополнительный питающий электрод 7. Горную выработку t пересекает под углом-J- ' 30° разломная зона 8. На фиг. 2 показаны графики 9-12 кажущегося сопротивления при расстояниях г между измерительным и питающим диполем соответственно 10, 20, 30 и 40 м, подключении дополнительного электрода 7 к электроду 5, обеспечении равенства токов, стекающих с электродов 5 и 7 и перемещении электрода 7 по кровле пласта 2, а также графики 13-16 кажущегося сопротивления при тех же расстояниях между измерительным и питающим диполем, подключении дополнительного электрода 7 к электроду 6, обеспечении равенства токов, стекающих с электродов 6 и 7 и перемещении электрода 7 по почве пласта 2, и график 17 кажущегося сопротивления в случае отсутствия разломной зоны 8. Предложенный способ осуществляют следующим образом. На забое выработки 1 в кровлю и почву угольного пласта 2 заземляют измерительные электроды 3 и 4, которые подсоединяют к микровольтметру (на чертеже не показан) и ориентируют по высоте выработки. Расстояние между измерительными электродами 3 и 4 (длина измерительного диполя) равно п, где h - высота выработки 1. На расстоянии г от измерительного диполя, равном размеру первого разноса зондирований, в кровлю и почву угольного пласта 2 заземляют питающие электроды 5 и 6, кото- с рые также ориентируют по высоте выработки 1 и подсоединяют к полюсам генератора (источника тока). Расстояние между питающими электродами 5 и 6 (размер питающего диполя) также равно h, т.е. высоте выработки 1. К одному из питающих электродов, например 5, заземленному в кровлю пласта 2, через катушку с проводом, реостат регулировки тока и миллиамперметр (на чертеже 55 не показаны) подсоединяют дополнительный питающий электрод 7, однополярный с электродом 5, относят его в сторону от выявляемого объекта, находящегося впереди забоя выработки 1 на расстояние от питающего диполя, равное размеру первого 6692 разноса зондирований, и заземляют в кровлю пласта 2. Включают генератор, фиксируют ток генератора, с помощью реостата устанавливают требуемое значение тока И через электрод 7, например, 1/2, где I - ток, 5 стекающий с электродов), измеряют значение разности потенциалов Ди между электродами 3 и 4. Показания I, И и AU записывают в журнал шахтных измерений. После взятия отсчетов дополнительный 10 электрод 7 заземляют в почву пласта 2. Установив требуемое соотношение между токами генератора I и через электрод 7 И, измеряют значение Д U на измерительном диполе и записывают показания I, И и AU в 15 журнал шахтных измерений. После снятия отсчетов электрод 7 перемещают на следующую точку зондирований в сторону от выявляемого объекта с определенным шагом, определяемым условиями съемки. Измери- 20 тельный и питающий диполи оставляют на своих местах. Измеряют показания I, И и Ди при заземлениях электрода 7 в кровлю и почву пласта 2 и сохранении выбранного соотношения между токами генератора I и 25 через электрод7 h. Далее процесс повторяется до исчерпания всех разносов зондирований, затем дополнительный электрод 7 пересоединяют к электроду 6, заземленному 8 почву пласта 2, устанавливают требуе- 30 мое соотношение токов генератора h дополнительного питающего электрода 7 И и повторяют процесс измерений Див полном соответствии с описанным выше. После окончания измерений измери- 35 тельный диполь оставляют на месте, питающий диполь перемещают в сторону от выявляемого объекта на расстояние от измерительного диполя, определяемое условиями и задачами съемки, ориентируют 40 питающие электроды 5 и 6 по высоте выработки 1 и заземляют в кровлю и почву пласта 2, сохраняя расстояние h между ними, Дополнительный питающий электрод 7 располагают на расстоянии, равном первому 45 разносу зондирований, от питающих электродов 5 и 6 в сторону от выявляемого объекта. Осуществляют процесс зондирований аналогично описанному выше. Цикл измерений при сохранении на ме- 50 сте измерительного диполя завершают пе* ремещением питающего диполя на максимальное rmax расстояние от измерительного диполя в сторону от выявляемого объекта, которое определяют из соотноше- 55 ния 1.24 В - Ггму • (А-Гщах + AQ ' где A =V(7rn ax -Ar) 2 +h 2 Дг- шаг перемещения дополнительного питающего электрода 7; h- высота выработки 1 (размер измерительного или питающего диполя). В общем виде для установки, показанной на фиг. 1, значения A U в однородной среде при токе генератора (+I), токе, стекающего с точечного электрода 7 (+ И), токе электрода 5 (I - И) и токе электрода 6 (-I) вычисляются по формуле 1 л г п+г где г - расстояние между приемным и питающим диполями; п - расстояние от электрода 7 до питающего диполя; h - высота выработки. При подключении электрода 7 к электроду 6 и перемещении электрода 7 по почве пласта 2 это соотношение имеет вид: 1 2 A Vr +h 2 П +Г Эти соотношения используются для расчета кажущегося сопротивления /Эк. Аналогичные выражения можно получить для случаев, когда электрод 7 соединен с электродом 5 и перемещается по почве пласта 2 или соединен с электродом 6 и перемещается по кровле пласта 5. Назначение дополнительного питающего электрода 7 - препятствовать оттоку тока в сторону от выявляемого объекта (на фиг. 1 по породам кровли пласта 2). В случае, показанном на фиг. 1, поле дополнительного электрода 7, взаимодействуя с высокоомным пластом 2, препятствует перетоку тока через неоднородность пласта 2, находящуюся на профиле зондирований, способствуя эмиссии большей части тока между питающими электродами 5 и 6 в сторону выявляв* мой неоднородности. 6692 Таким образом, для случая, показанного на фиг. 1, осуществляется отжим тока с электрода 5, заземленного а кровлю, в сторону выявляемой неоднородности, а то же время при заземлении дополнительного пи- 5 таюшего электрода 7 в кровлю и почву пласта 2 изменяется плотность тока в выявляемую неоднородность со стороны электрода 6, заземленного в почву пласта 2. При изменении полярности дополнительна Ш го электрода 7 отжим тока в неоднородность происходит со стороны почзы пласта 2, а заземлением дополнительного электрода 7 в кровлю м почву можно изменять плотность тока, эмиссируемого в неоднородность со 15 стороны кровли Результаты измерений установкой предложенного способа представляют в виде графиков кажущихся удельных электрических сопротивлений рк, которые при 20 обработке дифференцированно усредняют, Результаты численного моделирования с геоэлекпрической моделью среды, показанной Не. фиг. 1, даны на фиг, 2. На выбранной модели р пласта = р среды = р 15 Омм, 25 р разлома = 5 Омм, угол падения разлома 30°. Из сравнения серий графиков 9-12 и 1316, полученных при противоположной полярности дополнительного питающего 30 электрода 7, видно, что серии графиков 9-12 и 13-16 характеризуются противоположными по знаку градиентами по отношению к уровню сопротивления пласта и вмещающей среды, на основании чего можно судить 35 о направлении падения разломкой зоны. При нахождении дополнительного электрода 7 в кровле (І7 = я), судя по положению разломной зоны 8 относительно профиля 40 зондирований, плотность тока в разломной зоне 8 возрастает и, соответственно, умень 10 шается рк на кривых 9-12 по ерзвнепию с уровнем сопротивления среды Если дополнительный электрод 7 находится е ломче От = -х), то одкополярный с ним питающий электрод 6 Об ™ —ф препятствует проникновению тока в рэзломную зону 8, в связ** с чем увеличивается рг на кривых 13—16 г.о сравнению с уровнем сопротивление среды, Очевидно, еслиерззломнуго зону ^а Фмг. 1 повернуть нэ 120° по часовой стрелке в плоскости чертежа, картича будет противоположной. Анализ результатов численного моделирования показывает преимущества заявляемого способа по сравнению с прототипом. Это - значительно большая информативность (количество кривых на одной точке зондирования, отличающиеся друг от друга по признакам проявления выявляемого объекта, значительно возрастает), большая по сравнению с прототипом интенсивность аномалий, повышение уровня измеряемого сигнала. За счет перечисленных преимуществ возрастает надежность и точность разведки неоднородностей угольных пластов с помощью заявляемого способа. Применение заявляемого способа для опережающей разведки геологических нарушений позволит повысить безопасность горных работ, улучшить их технико-экономические показатели и дает положительный экономический эффект за счет исключения затрат на ликвидацию аварий, сокращения обьемов мероприятий по предотвращению внезапных выбросов и неоправданного уплотнения крепи, исключение случаев перекрепления выработок, уменьшения простоев проходческих бригад, уменьшения протяженности бросовых выработок и т.д. 6692 Фиг.Т Омм 50+ 40 ' " *' ................. И 3D-с •J 1_____ 1. ZO Упорядник Замовлення 640 50 40 50 60 ГО $0 §Q № Техред М.Моргеитал 200 300 M Коректор Л,Пилиленко Тираж Підписне Державне патентне відомство України, 254655, ГСП, КиТв-53, Львівська пл„ 8 Виробничо-видавничий комбінат "Патент", м. Ужгород, вул.Гагаріна, 101