Неполяризующийся электрод для электроразведки в шпурах малого диаметра
NON-POLARIZING ELECTRODE FOR ELECTRICAL PROSPECTING IN BORE PITS OF SMALL DIAMETER

Изобретение относится к подземной электроразведке и может быть применено при скважинном измерении параметров электрических полей в массиве горных пород для контроля его свойств и геомеханического состояния.
Известны устройства для измерения естественных электрических полей -неполяризующиеся электроды, имеющие стабильную величину потенциала собственной поляризации за счет помещения металлического электрода в раствор соли этого же металла. Основными элементами данного устройства являются пористый корпус, камера для электролита, в которую помещен металлический электрод (см. Семенов А.С. Электроразведка методом естественного электрического поля. Ленинград: Наука, 1980. - С. 319-321).
В последнее время угольные шахты и рудники в массовом порядке переходят на крепление подготовительных выработок анкерной крепью. Для установки анкеров бурят шпуры диаметром 28-35 мм, буровые работы производят высокопроизводительными самоходными буровыми установками. Для снижения материальных и трудовых затрат целесообразен переход на проведение скважинных электрофизических исследований по контролю свойств и геомеханического состояния массива горных пород (прогноза ударо-, выбросоопасности участков массива, оценки устойчивости выработок, диагностирования нарушенности, влажности, оценки качества тампонажа и упрочнения пород и т.д.) в шпурах указанного диаметра.
Уменьшение внешнего диаметра электрода ведет к резкому снижению объема камеры для электролита. При перемещении электрода по скважине происходит расход электролита за счет смачивания ее стенок, а также вымывания шахтной водой (на обводненных участках месторождений). При определенном расходе электролита происходит разрыв электрической цепи «металлический электрод - пористый сосуд» или чрезмерное разбавление электролита водой.
Эти негативные процессы приводят к нестабильной работе электрода и, в конечном счете, необходимости его перезаправки электролитом. При малом объеме камеры частая перезаправка или замена неполяризующего электрода резко снижает производительность измерительных работ.
Частичное устранение этого недостатка обеспечивается регулированием расхода электролита путем соединения пористого корпуса (контактного элемента) с резервуаром (камерой) электролита перемычкой из пористого капилярного материала (см. а. с. СССР №894655, МПК G01V 3/18, приоритет 01.07.1981). Подвод электролита к контактному пористому элементу осуществляется за счет сил капиллярного поднятия. При этом объем добавленного электролита равен объему израсходованного. Данное техническое решение позволяет увеличить ресурс беззаправочной работы неполяризующегося электрода, однако объем резервуара при этом не изменяется.
Этот недостаток аналога частично устраняется расположением резервуара с электролитом внутри контактного пористого элемента, выполненного в виде гофрированной эластичной трубки с переменным диаметром, закрепленной на торцевых поверхностях резервуара (см. а. с. СССР №1247806, МПК G01V 3/18, приоритет 02.04.1985). Ресурс электрода увеличивается за счет более рационального расположения пористого элемента и резервуара.
В значительной мере устранению указанного выше недостатка для шпуров малого диаметра, заключающегося в ограниченном объеме резервуара для электролита, способствует устройство по а. с. СССР №1291918, G01 3/04, приоритет 10.09.1985. Устройство снабжено дополнительной камерой электролита в горловой части корпуса цилиндрической формы с поршневым механизмом. Объем дополнительной камеры составляет 40% от объема основной камеры. По мере расхода электролита перемещением поршня дополнительной камеры обеспечивается наполненное состояние основной камеры.
Недостатки этого аналога состоят в чрезмерном усложнении конструкции и необходимости постоянного слежения за уровнем электролита, а также дополнительной операции перекачки электролита из дополнительной камеры в основную.
Наиболее эффективная компоновка конструкции неполяризующегося электрода для скважинных измерений обеспечивается при соосном расположении пористого эластичного контактного элемента и резервуара (камеры) с электролитом (см. Геоэлектрический контроль разрушения и инъекционного упрочнения горных пород / В.А. Хямяляйнен, С.М. Простов, П.С. Сыркин. - Москва: Недра, 1996. - С. 91-92). Функцию резервуара в этом устройстве выполняет брезентовый цилиндрический сосуд, стенки которого одновременно выполняют роль капиллярной перемычки, регулирующей поступление электролита к контактной пористой поролоновой оболочке. Выбираем данное устройство за прототип.
Недостаток прототипа состоит в неполном использовании возможностей увеличения относительного диаметра камеры электролита по сравнению с внешним диаметром электрода. При утрате 60-70% электролита стержневой металлический электрод теряет контакт с ним, размыкая внутреннюю цепь электрода и делая измерения невозможными. Таким образом, ресурс непрерывной работы электрода без дозаправки электролитом весьма ограничен.
Цель изобретения состоит в максимальном повышении бездозаправочного ресурса неполяризующегося электрода при измерениях в шпурах малого диаметра.
Указанная цель достигается тем, что в известном неполяризующемся электроде, содержащем металлический (медный) электрод, пористый эластичны контактный элемент и цилиндрический малопроницаемый резервуар (камеру) с электролитом, металлический электрод выполняют в виде тонкостенной перфорированной трубы с диаметром, на 8-12 мм меньшим диаметра контрольного шпура, в полость которой заливают электролит, а цилиндрический малопроницаемый резервуар перекрывает отверстия трубчатого электрода, выполняя роль системы капиллярных перемычек, питающих электролитом пористый эластичный контактный элемент.
На фиг. показано устройство неполяризующегося электрода для электроразведки в шпурах малого диаметра. Устройство состоит из изоляционного слоя 1, пористого эластичного контактного элемента 2, цилиндрического малопроницаемого резервуара 3, провода с разъемом 4, пробки 5, основания 6, электролита (раствора медного купороса) 7, наконечника 8 с резьбой, медного электрода 9 с отверстиями 10.
Медный электрод 9 выполнен в виде тонкостенной перфорированной трубы с внешним диаметром на 8-12 мм меньшим диаметра контрольного шпура (на фиг. не показан). Медный электрод насажен на основание 6 и образует жесткий каркас неполяризующегося электрода. На внешнюю поверхность медного электрода 9 надет цилиндрический малопроницаемый резервуар 3 из плотной ткани, перекрывающий отверстия 10 в медном электроде, выполняя роль капиллярной перемычки. Поверх резервуара 3 расположен пористый эластичный контактный элемент 2 из поролона, плотно прижатый с торцов медного электрода 9 изоляционным слоем 1. Внешний диаметр контактного элемента 2 на 5-7 мм превышает диаметр контрольного шпура, что обеспечивает хороший контакт с поверхностью шпура. Полость медного электрода 9 является основной камерой, в которую заливают раствор медного купороса 7 и которая закрывается пробкой 5. Наконечник 8 служит для присоединения устройства к досылочной штанге, а провод с разъемом 4 - для подключения к измерительному устройству (на фиг. не показан).
Неполяризующийся электрод работает следующим образом.
До начала измерений при вынутой пробке 5 в полость медного электрода 9 заливают раствор медного купороса 7. Этим же раствором пропитывают пористый эластичный контактный элемент 2. Закрывают полость медного электрода 9 пробкой 5, присоединяют наконечник 8 к досылочной штанге, а разъем провода 4 - к измерительному устройству. Перемещая неполяризующийся электрод по контрольному шпуру, производят измерение разности потенциалов между подвижным и заземляющим электродами. При контактировании пористого эластичного элемента 2 с породой происходит ее смачивание, приводящее к расходу электролита 7. За счет сил гравитации и капиллярного эффекта раствор медного купороса 7 из полости медного электрода 9 через отверстия 10 и ткань малопроницаемого резервуара 3 равномерно насыщает материал эластичного элемента 2. При этом в процессе уменьшения объема электролита 7 до минимального уровня при любом положении неполяризующегося электрода в горизонтальных или наклонных шпурах обеспечивается контакт внешней поверхности медного электрода с пропитанными медным купоросом материалом малопроницаемого резервуара 3 и пористым эластичным контактным элементом 2, что определяет стабильность потенциала собственной поляризации неполяризующегося электрода. После того, как электролит 7 будет полностью израсходован, его доливают при снятой пробке 5. В заявленном устройстве объем основной камеры, заполняемой электролитом, составляет 70-80% внешнего объема неполяризующегося электрода.
Таким образом, предложенное устройство обеспечивает максимальное повышение беззаправочного ресурса неполяризующегося электрода при измерениях в шпурах малого диаметра.