СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ИЗМЕНЕНИЯ НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ ГОРНОГО МАССИВА В ОКРЕСТНОСТЯХ ВЫРАБОТКИ
METHOD OF DETERMINING CHANGE OF STRESS STATE OF ROCK MASS IN VICINITY OF WORKING

Изобретение относится к горному делу и предназначено для определения изменения напряженного состояния массива горных пород в окрестностях горной выработки.
Известен способ определения напряженного состояния массива горных пород, включающий прозвучивание ультразвуковыми импульсами участков массива, расположенных между параллельными скважинами на разной их глубине, измерение длительности переднего фронта каждого из принятых ультразвуковых импульсов, по относительному изменению которой с глубиной судят о распределении напряжения в окрестностях горной выработки, при этом глубина, на которой отмечен минимум длительности переднего фронта ультразвукового импульса, соответствует максимуму зоны опорного давления [1].
Недостатком известного способа является низкая точность определения смещения зоны опорного давления вглубь массива при разрушении его приконтурной области. Действительно, для такого определения необходимо периодическое многократное прозвучивание участков массива между параллельными скважинами по их глубине, что сопровождается неизбежным изменением контактных условий скважинных акустических преобразователей с массивом. Это, в свою очередь, может привести к изменению длительности переднего фронта ультразвукового импульса даже большему, чем влияние непосредственно напряженного состояния.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является способ определения изменения напряженного состояния горного массива в окрестностях выработки, включающий размещение в пройденной от контура выработки измерительной скважине цилиндрического звукопровода с установленными по его длине на некотором расстоянии друг от друга двух или более текстолитовых колец, внутренний диаметр которых совпадает с диаметром звукопровода, а внешний - с диаметром скважины, прием акустическим преобразователем, закрепленным на торцевой поверхности звукопровода, распространяющихся в нем сигналов акустической эмиссии, возникающих в кольцах из текстолита [2].
В указанном способе каждое из текстолитовых колец подвергают предварительному механическому нагружению в одинаковом и совпадающем с диаметром направлении, а об изменении напряженного состояния приконтурного массива судят по скачкообразным увеличениям крутизны нарастания суммарного счета принимаемых акустическим преобразователем сигналов акустической эмиссии.
Недостатком известного способа является невозможность его использования при длительных мониторинговых наблюдениях за изменениями напряженного состояния в окрестности горной выработки. Это связано с тем, что в его основе лежит акустико-эмиссионный эффект памяти, который проявляется в текстолитовых кольцах в течение интервала времени, не превышающего 30 суток. Следовательно, именно этим сроком ограничивается возможность определения изменения напряженного состояния горного массива. На практике же изменение напряжений в окрестностях горных выработок по мере их разрушения и потери устойчивости может происходить в течение многих месяцев и даже лет.
В настоящей заявке решается задача создания способа, обеспечивающего повышение длительности определения изменений напряженного состояния горного массива в окрестностях выработок в ходе непрерывных мониторинговых акустико-эмиссионных измерений перемещения вглубь массива зоны опорного давления.
Для решения поставленной задачи в способе определения изменения напряженного состояния горного массива в окрестностях выработки, включающем размещение в пройденной от контура выработки измерительной скважине цилиндрического звукопровода с установленном по его длине на некотором расстоянии друг от друга двумя и более текстолитовыми кольцами, внутренний диаметр которых совпадает с диаметром звукопровода, а внешний - с диаметром скважины, прием акустическим преобразователем, закрепленным на торцевой поверхности звукопровода, распространяющихся в нем сигналов акустической эмиссии, возникающих в кольцах из текстолита, используют в качестве звукопровода трубу заданной длины, в стенках которой предварительно измеряют скорость распространения ультразвуковых колебаний, сигналы акустической эмиссии дополнительно принимают установленным на противоположной первому преобразователю торцевой поверхности звукопровода вторым акустическим преобразователем, электрический сигнал с которого снимают с помощью кабеля, размещенного внутри звукопровода, измеряют разность времен прихода на приемные преобразователи тех сигналов акустической эмиссии, амплитуда которых максимальна из всех приходящих сигналов, причем о глубине зоны опорного давления и изменении ее во времени судят по указанной выше разности времен, известной длине звукопровода и измеренной скорости распространения ультразвука в нем.
Предлагаемый способ базируется на установленной экспериментально высокой акустико-эмиссионой тензочувствительности текстолита, при деформировании которого возникающая акустическая эмиссия характеризуется высокими значениями амплитуды. Причем коэффициент тензочувствительности текстолита нелинейно увеличивается с увеличением испытываемых им деформаций, что позволяет выделить тот из расположенных вдоль контрольной скважины дисков из текстолита, который в данной момент находится в зоне опорного давления, т.е. испытывает максимальные деформации.
1
2
1
3
2
Способ определения изменения напряженного состояния горного массива в окрестностях выработки иллюстрируется фиг.1, фиг.2, фиг.3 и фиг.4, где на фиг.1 представлена схема проведения акустико-эмиссионных измерений в контрольной скважине, на фиг.2, фиг.3 и фиг.4 - амплитудные значения сигналов акустической эмиссии, возникающих в текстолитовых кольцах в моменты времени t, t>t и t>t соответственно.
T
Схема, представленная на фиг.1 включает измерительную скважину 1, в которой размещена выполняющая функции звукопровода труба 2 длиной l, изготовленная, например, из стали, текстолитовые кольца 3, 4, 5, приемные акустические преобразователи 6 и 7, которые с помощью электрических кабелей 8 и 9 связаны с аппаратурой измерения параметров акустической эмиссии (на фиг.1 условно не показана).
1
1
На фиг.2 представлены амплитудные значения сигналов 10, 11 и 12 акустической эмиссии, возникающих в текстолитовых кольцах 3, 4 и 5 соответственно в фиксированный момент времени t, когда зона опорного давления в приконтурном массиве расположена на глубине l размещения текстолитового кольца 3.
2
1
2
На фиг.3 представлены амплитудные значения сигналов 13, 14 и 15 акустической эмиссии, возникающих в текстолитовых кольцах 4, 3 и 5 соответственно в фиксированный момент времени t>t, когда зона опорного давления в приконтурном массиве сместилась на глубину l размещения текстолитового кольца 4.
1
2
3
На фиг.4 представлены амплитудные значения сигналов 16, 17 и 18 акустической эмиссии, возникающих в текстолитовых кольцах 5, 4 и 3 соответственно в фиксированный момент времени t>t, когда зона опорного давления в приконтурном массиве расположена на глубине l размещения текстолитового кольца 5.
T
1
1
2
1
3
2
Способ определения изменений напряженного состояния горного массива в окрестностях выработки осуществляют следующим образом. В стенках выполненного в виде трубы длинной l металлического звукопровода 2 измеряют скорость ν распространения ультразвуковых колебаний. Затем, на звукопроводе 2 на некотором расстоянии друг от друга закрепляют текстолитовые кольца 3, 4, 5, общее число которых может составлять несколько десятков и зависит от максимальной глубины, на которую необходимо осуществлять контроль смещения зоны опорного давления. Причем между текстолитовыми кольцами 3, 4, 5 и звукопроводом 2 обеспечивают надежный акустический контакт, например, за счет клеевого соединения. На противоположных торцевых поверхностях звукопровода 2 закрепляют с использованием клеевого соединения, обеспечивающего надежный контакт, акустические преобразователи 6 и 7. При этом акустический преобразователь 6 подключают с помощью электрического кабеля 8 к одному из входов многоканального акустико-эмиссионного измерительного комплекса (на фиг.1 условно не показан), а акустический преобразователь 7 с помощью электрического кабеля 9, проходящего внутри звукопровода 2, - ко второму входу многоканального акустико-эмиссионного измерительного комплекса. В качестве последнего может быть использован, например, серийно выпускаемый комплекс A-Line 32D. Далее звукопровод 2 с текстолитовыми кольцами 3, 4, 5 и приемными акустическими преобразователями 6 и 7 размещают в измерительной скважине 1 таким образом, чтобы одна из торцевых поверхностей звукопровода совпадала с плоскостью выработки, в которой скважина 1 пройдена. Под действием напряжений в окрестностях выработки измерительная скважина 1 деформируется, причем максимально в зоне опорного давления. Так, например, если в момент времени t положение зоны опорного давления находится на глубине l, где размещается текстолитовое кольцо 3, то именно это кольцо будет испытывать максимальные деформации. В результате в текстолитовом кольце 3 будут возникать сигналы акустической эмиссии максимальной амплитуды 10, как это показано на фиг.2. По мере удаления от зоны опорного давления вглубь массива и перехода к зоне естественных напряжений величина последних уменьшается. Соответственно, в меньшей степени деформируется измерительная скважина на глубине l>l где расположено текстолитовое кольцо 4, в котором будут возникать сигналы акустической эмиссии с амплитудой 11, меньшей, чем амплитуда сигналов акустической эмиссии от текстолитового кольца 3. Аналогично амплитуда 12 сигналов акустической эмиссии от текстолитового кольца 5, расположенного на глубине l>l измерительной скважины 1, будет меньше амплитуды 11.
2
1
2
По мере увеличения нарушенности пород приконтурного массива под влиянием природных и техногенных факторов (например, выветривания) зона опорного давления будет смещаться вглубь массива. При этом в некоторый момент времени t>t зона опорного давления достигнет глубины l, на которой размещается текстолитовое кольцо 4. Поскольку текстолитовое кольцо 4 станет испытывать максимальные относительно колец 3 и 5 деформации со стороны скважины 1, то именно в нем возникнут сигналы акустической эмиссии с амплитудой 13, которая будет превышать амплитуды 14 и 15 сигналов акустической эмиссии, возникающие в кольцах 3 и 5 (фиг.3).
3
2
3
2
При дальнейшем разрушении пород приконтурного массива в момент времени t>t зона опорного давления сместиться на расстояние t>t и, как следствие, максимальные деформации будет испытывать текстолитовое кольцо 5, которое будет генерировать представленные на фиг.4 сигналы акустической эмиссии с амплитудой 16, которая будет превышать амплитуды 17 и 18 сигналов акустической эмиссии, возникающих в текстолитовых кольцах 3 и 4.
Сигналы акустической эмиссии, возникающие в текстолитовых кольцах 3, 4, 5, через звукопровод 2 поступают на акустические преобразователи 6 и 7 и далее по соответствующим кабелям 8 и 9 на раздельные входы акустико-эмиссионного измерительного комплекса, порог срабатывания которого настроен на максимальные амплитуды указанных сигналов. Таким образом, акустико-эмиссионный измерительный комплекс принимает сигналы акустической эмиссии только того из текстолитовых колец, который в данный момент времени находится ближе всего к зоне опорного давления, генерируя, соответственно, сигнал с максимальной амплитудой. Далее, используя акустико-эмиссионный измерительный комплекс, измеряют разность Δt времен прихода указанного сигнала на акустические преобразователи 6 и 7, а расстояние L от контура выработки до местоположения зоны опорного давления определяют по формуле
<mrow><mi>L</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>l</mi><mi>T</mi></msub><mo>−</mo><mi>Δ</mi><mi>t</mi><mo>⋅</mo><mi>ν</mi></mrow><mn>2</mn></mfrac></mrow>
.
При этом, если при длительных мониторинговых измерениях величина L остается постоянной, то это свидетельствует о неизменности напряженно деформированного состояния массива горных пород в окрестностях горной выработки. Если же величина L со временем возрастает, то это свидетельствует о смещении зоны опорного давления вглубь массива, т.е. изменении его напряженно-деформированного состояния.
Описанный способ испытывался в натурных условиях при подземной отработке Соликамского калийного месторождения в зоне ведения очистных работ. В измерительный шпур, диаметром 42 мм, пробуренный перпендикулярно оси горной выработки в ленточном целике, помещали полый стальной звукопровод внешним диаметром 10 мм, внутренним 6 мм и длиной 2000 мм с закрепленными на нем на расстоянии 10 см друг от друга тремя текстолитовыми кольцами внутренним диаметром 10 мм, внешним 42 мм и толщиной 12 мм. Перед размещением звукопровода в шпуре на его торцевых поверхностях закрепляли преобразователи акустической эмиссии GT-200, подключаемые через предусилители к акустико-эмиссионному измерительному комплексу A-Line 32D. Измерения проводились в мониторинговом режиме на протяжении полутора месяцев, при этом смещение зоны опорного давления вглубь целика происходило под влиянием перераспределения горного давления в результате перемещения очистного забоя в направлении от зоны проведения измерений вглубь массива. В процессе измерений комплекс A-Line 32D производил идентификацию конкретного текстолитового кольца, являющегося источником акустической эмиссии максимальной амплитуды в автоматизированном режиме в соответствии с описанным выше алгоритмом. Смещение зоны опорного давления при этом было зафиксировано от ближайшего к устью скважины диска, находящегося на расстоянии 1 м до дальнего от устья скважины диска на глубине 1,2 м. Указанное перемещение зоны опорного давления было подтверждено измерениями, произведенными методом ультразвукового прозвучивания.
Таким образом, предложенный способ позволяет решить задачу повышения длительности определения изменения напряженного состояния горного массива, выражающегося в смещении зоны опорного давления вглубь массива.
Источники, принятые во внимание при составлении заявки на изобретение
1. Авторское свидетельство СССР №1149010, кл. E21C 39/00, опубл. в БИ №13 от 07.04.85 г.
2. Способ определения изменения напряженного состояния горного массива: заявка 2011147713/03 (071550), Рос. Федерация: МПК E21C 39/00 / Шкуратник В.Л., Николенко П.В., Корчак А.В. (Рос.Федерация), заявитель ФГБОУ ВПО МГГУ; заявл. 24.11.2011; приоритет 24.11.2011 (Решение о выдачи патента на изобретение от 04.02.2013).