СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ ГОРНЫХ ПОРОД
METHOD FOR DETECTION OF STRESSED CONDITION OF ROCKS

Изобретение относится к горному делу и предназначено для определения напряженного состояния горной породы в массиве, то есть для установления, находится ли горная порода в допредельном или запредельном состоянии.
Известен способ оценки напряженного состояния горного массива, заключающийся в том, что возбуждают массив, регистрируют времена прихода упругих и электромагнитных волн в первом пункте приема, определяют времена запаздывания упругих волн относительно электромагнитных, а также другие параметры упругой и электромагнитной волн, определяют коэффициенты затухания упругих и электромагнитных волн и по полученным коэффициентам затухания судят о состоянии горного массива [1].
Недостатком известного способа является его низкая точность, поскольку амплитуды упругой и электромагнитной волн будут зависеть от амплитуды излученного в массив импульса, которая существенно отличается от раза к разу из-за нестабильности контактных условий возбуждения упругой волны.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является способ оценки напряженного состояния массива горных пород, заключающийся в том, что задают требуемую детальность исследования массива, регистрируют пары электромагнитных и сейсмоакустических сигналов, излучаемых естественными источниками удароопасности на заданных расстояниях, задают времена измерения параметров электромагнитных и сейсмоакустических сигналов, определяют зависимости параметров электромагнитных и сейсмоакустических сигналов от расстояния до источников этих сигналов [2], который принят авторами за прототип.
Недостатком известного способа является то, что он не позволяет определять стадию напряженного состояния, то есть установить, находится ли горная порода в допредельном или запредельном состояниях.
В данной заявке решается задача создания надежного способа определения напряженного состояния с указанием, находится ли горная порода в допредельном или запредельном напряженном состоянии.
Для решения поставленной задачи в способе оценки напряженного состояния массива горных пород, включающем задание требуемой детальности исследования массива, установку датчиков электромагнитных и сейсмоакустических сигналов, регистрацию электромагнитных и сейсмоакустических сигналов, излучаемых естественными источниками в массиве горных пород, определение параметров этих сигналов, регистрацию электромагнитных и сейсмоакустических сигналов производят датчиками в скважинах, пробуренных от поверхности обнажения вглубь массива, шаг измерения вдоль оси которых выбирают в соответствии с требуемой детальностью, задают ширину скользящего пространственного окна, охватывающего несколько последовательно расположенных точек измерения, для множества пар значений параметров электромагнитных и сейсмоакустических сигналов, соответствующих одним и тем же точкам внутри пространственного окна, определяют коэффициент корреляции, ставят его значение в соответствии средней точке пространственного окна и, в случае положительного значения коэффициента корреляции, напряженное состояние массива горных пород в этой точке относят к допредельной стадии, а в случае отрицательного значения относят к запредельной стадии деформирования, при этом ширину пространственного окна выбирают из условия статистической значимости коэффициента корреляции.
Физическое обоснование способа заключается в следующем. Электромагнитные и сейсмоакустические сигналы формируются при развитии двух процессов: во-первых, вследствие образования новых трещин и роста старых (процессы отрыва), во-вторых, вследствие сдвижения берегов старых трещин (процессы трения берегов). Нарушения сплошности массива при образовании и росте трещин и трение их берегов приводят к образованию сейсмоакустических сигналов. Образование и смещение нескомпенсированных зарядов на берегах трещин в результате описанных процессов приводят к образованию электромагнитных сигналов. При этом процессы отрыва порождают и электромагнитные и сейсмоакустические сигналы, а процессы трения берегов в основном только сейсмоакустические.
В допредельной области работают оба процесса (и образование трещин отрыва и сдвижение берегов трещин). В запредельной области раскрытие и рост трещин приводят к образованию блочной структуры. В результате доля растущих трещин, являющихся источником и электромагнитных и сейсмоакустических сигналов, резко уменьшается, а доля трещин, в которых происходят процессы сдвижения берегов, увеличивается. При этом, чем больше размеры трещин, тем больше энергия, амплитуда и другие параметры испускаемых электромагнитных и сейсмоакустических сигналов.
Массив можно представить как систему областей с разным количеством трещин и с разной интенсивностью процессов образования, роста и сдвижения берегов. В близких к обнажению областях, находящихся в запредельном состоянии, будут преобладать процессы сдвига с трением берегов трещин. В дальних (допредельное состояние) - активными будут оба процесса.
Таким образом, в допредельной области в локальной зоне повышенной нарушенности будут наблюдаться повышенные значения как амплитуд сейсмоакустических сигналов, так и электромагнитных. Однако в запредельной области во встреченной локальной зоне повышенных напряжений интенсифицируется только процесс сдвига берегов трещин, процесс же отрыва наоборот будет идти менее интенсивно, чем в окружающих локальную область точках массива, поскольку будет почти завершен. Таким образом, в этой области большее значение амплитуд сейсмоакустических сигналов будет соответствовать меньшему значению электромагнитных сигналов.
Данные особенности поведения электромагнитных и сейсмоакустических сигналов можно оценить с помощью коэффициента корреляции, взятого в пространственном окне так, чтобы это окно включало возможные области повышенной и пониженной нарушенности массива. Коэффициент корреляции при этом будет иметь положительные значения в допредельной области и отрицательные в запредельной. Точку же перехода коэффициента корреляции через 0 можно считать границей зон запредельного и допредельного напряженных состояний.
Способ оценки напряженного состояния массива горных пород иллюстрируется чертежами, где на фиг.1 представлена схема реализации предлагаемого способа, на фиг.2 - схема, иллюстрирующая получение результатов измерений вдоль оси скважины и их обработку, на фиг.3 - схема, иллюстрирующая изменения коэффициента корреляции электромагнитных и сейсмоакустических сигналов вдоль оси L скважины, фиг.4 - кривые зависимостей от положения места измерения вдоль оси L скважины.
Схема реализации способа, представленная на фиг.1, включает: последовательно соединенные преобразователь 1 сейсмоакустических сигналов, блок 2 регистрации сейсмоакустических сигналов, блок 3 вычисления коэффициента корреляции, к другому входу которого подсоединен преобразователь 4 электромагнитных сигналов через блок 5 регистрации электромагнитных сигналов. Преобразователь 1 сейсмоакустических сигналов и преобразователь 4 электромагнитных сигналов размещены в скважине 6, пробуренной в массиве 7 горных пород. Части скважины 6 находятся в зоне 8 запредельного напряженно-деформированного состояния и в зоне 9 допредельного напряженно-деформированного состояния, а также пересекает границу 10, соответствующую предельному напряженно-деформированному состоянию горных пород.
На фиг.2 представлены результаты измерений вдоль оси скважины 6, а также дана схема, поясняющая обработку этих результатов. На схеме показаны средние значения параметров 11 сейсмоакустических сигналов и параметров 12 электромагнитных сигналов, а также изображены пространственные окна 13, 14 расчета коэффициента корреляции и точки 15, 16 которым присваиваются полученные в окнах 13 и 14 значения коэффициента корреляции.
На фиг.3 представлена схема, иллюстрирующая изменения коэффициента корреляции электромагнитных и сейсмоакустических сигналов вдоль оси скважины. На схеме показан график 17 изменения значений коэффициента корреляции по длине скважины 6, значения 18 и 19 коэффициента корреляции, рассчитанные в окнах 13 и 14, также указана точка 20 перехода через ноль графика 17 изменения значений коэффициента корреляции.
На фиг.4 показаны кривые зависимостей от положения места измерения вдоль оси скважины, где линия 21 представляет собой график изменения значений коэффициента корреляции r по длине скважины; линия 22 представляет собой график изменения уровня амплитуды сейсмоакустических сигналов по длине скважины; линия 23 представляет собой график изменения амплитуды электромагнитных сигналов по длине скважины, точка 24 представляет собой точку перехода через ноль коэффициента корреляции.
Способ определения напряженного состояния горных пород реализуется следующим образом.
Преобразователь 1 сейсмоакустических сигналов и преобразователь 4 электромагнитных сигналов размещают в первой точке измерения в скважине 6. Регистрируют в течение заданных промежутков времени с помощью блока 2 регистрации сейсмоакустических сигналов и блока 5 регистрации электромагнитных сигналов значения 11 параметров сейсмоакустических сигналов и значения 12 параметров электромагнитных сигналов. Далее преобразователь 1 сейсмоакустических сигналов и преобразователь 4 электромагнитных сигналов перемещают по скважине 6 во вторую точку, где также регистрируют в течение заданных промежутков времени параметры 11 сейсмоакустических сигналов и параметры 12 электромагнитных сигналов. Таким образом, получают пары параметров в различных точках по длине скважины 6.
Далее задаются шириной окна 13, в котором по значениям параметров 11 и 12 в блоке вычисления 3 коэффициента корреляции рассчитывают его значения. Значение коэффициента корреляции 18 присваивают точке массива 15, находящей в середине окна 13.
Далее смещают окно на заданное количество точек. Таким образом, получают окно 14 с шириной, равной ширине окна 13. По парам значений параметров 11 сейсмоакустических сигналов и параметров 12 электромагнитных сигналов, попавших в окно 14, вычисляют коэффициент корреляции 19. Его присваивают средней точке 16 окна 14. Процесс смещения окон и вычисления в них коэффициентов корреляции продолжают до тех пор, пока не будет использован весь набор зарегистрированных данных.
Таким образом, получают график 17 изменения значений коэффициента корреляции r сейсмоакустических и электромагнитных сигналов вдоль скважины 6. На графике находят точку 20 перехода коэффициента корреляции через ноль. Эту точку принимают за место расположения границы 10 между зоной 8 запредельного напряженно-деформированного состояния и зоной 9 допредельного напряженно-деформированного состояния.
Представленные на фиг.4 экспериментальные результаты были получены при реализации описанного выше способа в скважинах, пробуренных в стенках выработки в гипсовой залежи. Результаты были получены с помощью приборов «Ангел» производства «ВНИМИ» с преобразователем.
Линия 21 представляет собой график изменения значений коэффициента корреляции r по длине скважины; линия 22 представляет собой график изменения уровня амплитуды сейсмоакустических сигналов по длине скважины; линия 23 представляет собой график изменения амплитуды электромагнитных сигналов по длине скважины. На фиг.4 также отмечена точка 24 перехода через ноль коэффициента корреляции, эта точка является точкой границы 10 между зоной 8 запредельного напряженно-деформированного состояния и зоной 9 допредельного напряженно-деформированного состояния.
Таким образом, предложенный способ позволяет решить задачу определения напряженного состояния горных пород и установить, находятся они в допредельном или запредельном состояниях.
Источники информации
1. Авторское свидетельство СССР №1146448, кл. E21C 39/00, опубл. 23.04.85, Бюл. №11.
2. Авторское свидетельство СССР №1209859, кл. E21C 39/00, опубл. 07.02.86, Бюл. №5.