Способ контроля толщины ледопородного ограждения при строительстве шахтных стволов
METHOD OF CONTROL OF ICE WALL THICKNESS AT CONSTRUCTION OF MINE SHAFTS

Изобретение относится к сейсмоакустике и может быть использовано для определения толщины ледопородного ограждения (ЛПО) в процессе искусственного замораживания грунтов при проходке шахтных стволов.
Известен способ акустического контроля качества и процесса формирования ледопородных ограждений, заключающийся в локальном излучении акустической волны из замораживающих скважин, окружающих контролируемый объект, приеме прошедших через окружающую среду волн в смежных скважинах, расположенных вокруг объекта, вертикальном вниз сканировании зоны приема, определении момента амплитудного максимума принятой продольной волны и его величины, определении диаграммы направленности зоны излучения путем прямого и последующего обратного реверса сканирования зоны приема со сравнением амплитуд принятых сигналов с их максимумом, аналогичном определении диаграммы направленности зоны приема путем сканирования зоны излучения при неподвижной зоне приема, определении эпюр диаграмм направленности зон излучения и приема по глубине скважин и во времени, определении наличия и величин вторых (боковых) диаграмм направленности зон излучения и приема, обусловленных появлением поперечной волны, при указанном реверсивном по вертикали сканировании зон излучения и приема, регистрации эпюр вторых диаграмм направленности по глубине скважин и во времени, определении по эпюрам отношения углов раскрытия вторых диаграмм к первым и по их величине судят о появлении и расположении по вертикали зон смыкания ледопородных ограждений (Авторское свидетельство СССР №542136, кл. G01N 29/04, опубл. 05.01.1977, бюл. №1).
Недостатками данного способа являются: трудность его реализации из-за большого числа и сложности входящих в него операций, необходимость вывода из работы замораживающих колонок, невозможность оценить толщину ледопородного ограждения, фактически определяется только факт смыкания ледопородного ограждения в между замораживающими скважинами.
Известен способ акустического контроля качества ледопородных ограждений при сооружении подземных объектов, заключающийся в том, что в замораживающих скважинах по их глубине размещают приемные акустические преобразователи, с помощью которых принимают акустические сигналы из контролируемой области массива, по измеренным параметрам которых судят о качестве ледопородного ограждения и процессе его формирования (Авторское свидетельство СССР №476502, кл. G01N 29/04, опубл. 05.07.1975, бюл. №25).
Недостатками данного способа являются: необходимость вывода из работы замораживающих колонок, невозможность оценить поперечную толщину ледопородного ограждения, сильная зависимость точности и надежности результатов контроля от взаимной ориентации приемных преобразователей и источника акустических сигналов.
Известен акустический способ контроля качества и процесса формирования ледопородных ограждений при сооружении подземных объектов, заключающийся в том, что в замораживающих скважинах по их глубине размещают приемные акустические преобразователи, с помощью которых принимают акустические сигналы из контролируемой области массива, по измеренным параметрам которых судят о качестве ледопородного ограждения и процессе его формирования, отличающийся тем, что в качестве принимаемых сигналов используют возникающие в массиве импульсы акустической эмиссии, определяют ее среднюю активность за каждый из последовательных, соизмеримых по продолжительности интервалов времени в процессе замораживания геосреды, до начала которого определяют характерный для нее уровень активности акустической эмиссии в исходном состоянии, при этом о формировании качественного ледопородного ограждения судят по не менее чем пятикратному снижению средней активности акустической эмиссии относительно исходного уровня и ее стабилизации во времени в ходе замораживания, а о наличии и расположении зон несмыкания ледопородного ограждения судят по превышению значений средней активности акустической эмиссии на некотором участке геосреды уровня, характерного для качественно замороженных участков той же геосреды (Патент России №2581188, МПК G01V 1/00,. Бюл. №11,016 г).
Недостатками данного способа являются: необходимость вывода из работы замораживающих колонок, невозможность оценить поперечную толщину ледопородного ограждения, необходимость нахождения новых корреляционных зависимостей параметров акустической эмиссии при замораживании и последующем оттаивании образцов обводненных грунтов, соответствующих по своему составу и свойствам (в т.ч. влажности) грунтам, характерным для каждого нового объектов подземного строительства.
Известен способ контроля толщины ледопородного ограждения при проходке стволов, который принят за прототип. Данный способ заключается в демонтаже внутренних труб замораживающих колонок, спуск в скважины излучателя и приемника и ультразвуковое просвечивание, отличающийся тем, что, с целью сокращения технологического времени и снижения затрат, перед производством демонтажных работ замеряют темп охлаждения пород в замораживающих скважинах, а демонтаж труб и ультразвуковое вое просвечивание производят в период изменения темпа охлаждения (Авторское свидетельство СССР №599160, кл. G01C 7/06, опубл. 13.03.1978, бюл. №11).
Недостатками способа - прототипа являются: необходимость дополнительного контроля теплового режима в замораживающих скважинах, отсутствие возможности ультразвукового контроля без демонтажа внутренних труб замораживающих колонок.
Все известные способы, в том числе и прототип, обеспечивают заявленные результаты только при выведении из работы или демонтаже замораживающих скважин, и требуют достаточно точных сведений о их пространственном положении на различных глубинах. В этой связи все акустические способы представляются достаточно трудоемкими и финансово затратными, не обеспечивают достоверного определения толщины ледопородного ограждения, ограничиваясь определением смыкания ЛПО между замораживающими колоннами.
Задачей создания изобретения является определение толщины ледопородного ограждения по всей глубине заморозки в проекции от произвольной контрольной скважины к центру ствола, без необходимости вывода из работы замораживающих колонок.
Поставленная задача решается с помощью признаков, указанных в формуле изобретения, общих с прототипом, таких как способ контроля толщины ледопородного ограждения при строительстве шахтных стволов, включающего возбуждение колебаний, определение скорости и времени вступления сейсмоакустических сигналов проходящих через замороженный массив, и отличительных существенных признаков, таких как в контрольной скважине, пробуренной на некотором удалении с внешней стороны от кольца замораживающих колонок, размещают систему, состоящую из электроискрового источника сейсмических колебаний и гирлянды пьезоэлектрических сейсмоприемников, смещают систему вдоль ствола скважины на расстояние кратное шагу сейсмоприемников, возбуждают и регистрируют сейсмоакустические сигналы, зарегистрированные данные подвергают цифровой обработке по технологии общей глубинной точки, по результирующим волновым полям определяют времена вступления и скорости распространения продольных волн, отраженных от вертикальных границ, образовавшихся при замораживании породного массива, на основании чего судят о толщине ледопородного ограждения, сформированного на текущем этапе замораживания.
Вышеперечисленная совокупность существенных признаков позволяет получить следующий технический результат - снижение трудозатрат и повышение надежности определения толщины ледопородного ограждения на конкретном этапе заморозки в комплексе обязательных мероприятий по контролю его качества и геометрических параметров.
Предлагаемая совокупность признаков "…в контрольной скважине, пробуренной на удалении с внешней стороны от кольца замораживающих колонок, размещают систему, состоящую из электроискрового источника сейсмических колебаний и гирлянды пьезоэлектрических сейсмоприемников. Смещая систему вдоль ствола скважины на расстояние кратное шагу сейсмоприемников, возбуждают и регистрируют сейсмоакустические сигналы…" позволяет выполнить обработку зарегистрированных отраженных сигналов в рамках сейсморазведочной технологии общей глубинной точки (ОГТ) и определить удаление внешней и внутренней границы ледопородного ограждения от контрольной скважины. Подобная информация позволяет решить вопрос о размерах поперечного сечения ледопородного ограждения в направлении от контрольной скважины к центру ствола. В результате исключается применение трудоемких демонтажных работ и необходимость вывода из работы отдельных замораживающих колонок, что позволяет сократить как трудовые, так и финансовые затраты на комплекс мер по контролю формирования ЛПО при строительстве шахтного ствола.
Изобретение иллюстрируется ниже приведенными схемами и примерами реализации изобретения.
На Фиг. 1 представлена Схема организации сейсмоакустических наблюдений отраженными волнами в контрольной скважине. (вид в плане и в разрезе);
На Фиг. 2. Результаты цифровой обработки сейсмоакустических данных (скважинное ОГТ) в реальных условиях с выделением в волновом поле наиболее контрастных отражений, соответствующих границам ЛПО.
Способ осуществляется следующим образом.
Согласно предлагаемому способу (Фиг. 1) в контрольной скважине (КТ), которая, проходится для организации температурных, ультразвуковых, гидрогеологических исследований, пробуренной на некотором удалении (в зависимости от проектных данных и вида грунтов) с внешней стороны от кольца замораживающих скважин (ЗС), размещают систему, состоящую из электроискрового источника сейсмических колебаний (И) и гирлянды пьезоэлектрических сейсмоприемников (П).
Смещая систему вдоль ствола скважины (КТ) на расстояние кратное шагу сейсмоприемников (ПП), возбуждают и регистрируют сейсмоакустические сигналы. Зарегистрированные сейсмоакустическим регистратором (С) данные подвергают цифровой обработке и суммированию по способу общей глубинной точки (ОГТ) [1,2,3].
По результирующим волновым полям определяют времена вступления и скорости распространения продольных волн, отраженных от вертикальных границ (ВГ и НГ), образовавшихся при замораживании породного массива. На основании этих данных рассчитывают удаления границ ледопородного ограждения (ЛПО) от контрольной скважины и получают толщину ЛПО вдоль проектной глубины ствола в проекции КТ-КС (Фиг. 2).
Таким образом, использование данного способа обеспечивает определение толщины ледопородного ограждения по всей проектной глубине строящегося ствола без необходимости выведения из работы замораживающего оборудования.
Из описания и практического применения настоящего изобретения специалистам будут очевидны и другие частные формы его выполнения. Данное описание и примеры, чертежи рассматриваются как материал, иллюстрирующий изобретение, сущность которого и объем патентных притязаний определены в нижеследующей формуле изобретения, совокупностью существенных признаков и их эквивалентами.