книги / Свойства горных пород при разных видах и режимах нагружения
..pdfРис. 8.21. Схема к методу непродольного профилирования с использованием метода преломленных волн
источником возбуждения и профилем наблюдения при этом методе ограничен размерами исследуемого участка и интенсивностью источ ника возбуждения.
Методы преломленных (МПВ) и отраженных (МОВ) волн (рис. 8.20) позволяют проследить преломляющие и отражающие гра ницы оконтуренной зоны нарушения. При расположении нарушения под углом 60—120° к выработке может быть использована методика непродольного профилирования с использованием преломленных волн (рис. 8.21). Непрерывная корреляция преломленных волн осложняется тем, что глубина до преломляющей границы вдоль ли нии профиля существенно меняется, в результате чего изменяется положение и протяженность участков прослеживания на разных участ ках профиля. Отсутствие резкой преломляющей границы в принятой модели нарушения приводит к недостаточно уверенному корреляци онному прослеживанию фаз преломленных волн, поэтому в МПВ
.широко используются системы нагоняющих годографов, которые позволяют осуществлять взаимную проверку годографов на пере крываемых участках. Таким образом полная корреляционная систе ма прослеживания преломленных волн должна дополняться нагоняю щими.годографами.
Системы наблюдений при непродольном профилировании по мето ду преломленных волн аналогичны системам непродольного профи лирования по методу проходящих волн, причем следует стремиться к регистрации преломленных волн на более ранних временах по срав нению с проходящими.
Расстояние между сейсмоприемниками на профиле выбирается исходя из соотношения
Ах = йуТ{%
где ак — кажущаяся скорость, м /с; Г — видимый период записи соот ветствующей полезной волны, с.
Практически для объектов, на которых производились измерения величины Ах для непродольных наблюдений изменялось от 10 до 30 м, а для продольных наблюдений до 5 м.
Существенное влияние на качество получаемых сейсмограмм ока зывают условия установки сейсмоприемников. Краевая часть уголь ного пласта, примыкающая к горной выработке, характеризуется наличием двух явно выраженных зон в скоростном отношении, т.е. имеется зона ослабленных пород, где скорость волны понижена и зона повышенных скоростей. Размеры этих зон зависят от многих причин, в том числе от физико-механических свойств пород, глубины залегания пласта, жесткости крепи и т.д. Ширина этих зон может быть определена различными методами, в том числе акустическим мето дом преломленно рефрагированных волн, позволяющим определять расстояние до максимума зоны опорного давления. Наиболее распро страненная глубина, за которой располагаются сейсмоприемники в горной выработке равна или больше 0,4—0,5 мощности пласта.
Для исключения влияния условий установки сейсмоприемника на характер сейсмограммы собственная частота системы сейсмопри емник—порода должна лежать за пределами частотного диапазона регистрации. По данным практики это достигается установкой сейс моприемника на выровненную площадку угольного пласта с помо щью быстротвердеющего цемента. Сейсмоприемник может распола гаться на пике, вбитой в дно шпура. В этом случае в диапазоне 150 — 500 Гц получается равномерная частотная характеристика.
Для уменьшения влияния этой зоны на характер сейсмограмм применяется группирование сейсмоприемников.
Несмотря на то, что группирование связано с применением боль шего числа сейсмоприемников в шахтной сейсморазведке и суще ственно усложняет организацию работ по установке сейсмоприемни ков на профиле, без его использования практически невозможно получение качественных сейсмограмм при высоком уровне помех, вызванном работой механизмов.
Группирование сейсмоприемников позволяет в значительной мере устранить недостаток метода веерного просвечивания, связанный с изменением соотношения между разными составляющими волнового интерференционного процесса при переходе от одной точки наблюде ния к другой.
Механические источники возбуждения волн как правило обеспе чивают получение качественных сейсмических записей в методике внутрипластового просвечивания МПВ до расстояний не более 100 м и не более 70 м в МОВ при низком уровне микросейсм, т.е. в отсут ствие технологических шумов.
Поэтому при высоком уровне технологических шумов в шахтной сейсморазведке преимущественно используются взрывные источники возбуждения волн, при этом масса заряда как правило не превышает 100 г, так как больший заряд приводит к более низкочастотной запи си, что может привести к появлению ложной аномалии при обработке сейсмограмм.
цит:
1 — место возбуждения сигнала; 2 — место приема сигнала (стоянка сейсмопри емников); 3 — положение нарушения по геологическому прогнозу; 4 ~ положе ние нарушения по сейсмическому прогнозу; 5 —истинное положение нарушения
иейсмоакустические эксперименты*, выполненные на ряде шахт Донецкого бассейна, в частности на шахте им. Вахрушева (рис. 8.22), показали, что точность определения местоположения нарушений вполне удовлетворительная. Отклонение положения сброса по дан ным сейсморазведки от фактического составило не более 10 м при расстоянии прозвучивания около 200 м впереди лавы (точность 5 %).
9. ОЦЕНКА НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ МАССИВА ПО РАССЕЯНИЮ ГАММА-КВАНТОВ И УПРУГОМУ ПОСЛЕДЕЙСТВИЮ ПОРОД
Гамма-кванты представляют собой электромагнитные колебания большой частоты, возникающие при распаде радиоактивных изото пов. При прохождении через вещества они взаимодействуют с элект ронами и нуклонами атомов вещества, с электрическим полем ядер, в результате чего рассеиваются и поглощаются. Изменение интенсив ности гамма-излучения после прохождения через поглощающий слой вещества подчиняется экспоненциальному закону
1Х = / „ е - " * , |
(9.1) |
где / 0 — интенсивность гамма-излучения на границе поглощающего слоя; ц — массовый коэффициент ослабления; х — толщина погло щающего слоя.
* Экспериментальные работы проводили А.Д. Рубан и А.Б. Черняков.
до 0,1 мг-экв. радия и работать с прибором без специальной защиты. Методические исследования, выполненные в лабораторных и шахтных условиях (шахты ’’Южная” и им. Артема, Восточный Дон басс) показали, что гамма-метрический метод с применением создан ного прибора может быть рекомендован для использования в уголь ных шахтах. Для шахт, опасных по газу и пыли, прибор должен быть
изготовлен в искровзрывобезопасном исполнении.
Главная сложность для получения численных значений напряжен ного состояния заключается в том, что пока еще не накоплено доста точно большого объема экспериментальных данных и на каждом шахтопласте необходима тарировка прибора. Это объясняется тем, что плотность углей различных пластов не одинакова, а соотношение напряженного состояния и плотности углей изменяется с изменением уровня действующих напряжений и состояния углей (допредельное
ипредельное). Одинаковое изменение напряженного состояния на различном расстоянии от забоя не вызовет одинакового изменения интенсивности рассеянного гамма-излучения.
Можно рекомендовать следующий порядок тарировки прибора.
1.С откаточного штрека впереди лавы за пределами влияния очистных работ по угольному пласту бурится три параллельных шпу ра на расстоянии 0,7—1,0 м друг от друга. Длина шпуров должна позволять достигнуть зоны напряжений, близких к уН.
2.В средний шпур вставляется гидравлический датчик и по из вестной методике производится наблюдение за изменением напряжен ного состояния по мере приближения лавы.
3.Два других шпура во избежание их разрушения горным давле нием закрепляются обсадными трубами.
4.Во время снятия показаний по гидравлическим датчикам про изводится измерение интенсивности рассеянного гамма-излучения в обоих шпурах, — без коллимации и с коллимацией источника вверх N0, вниз Nieo, влево N210, вправо N9Q, а также в направлениях N4S и N22S (индекс указывает направление в градусах). Данный по двум шпурам усредняются. Наблюдения продолжаются до подхода лавы к шпурам.
5.Строятся эпюры горного давления по гидравлическому датчику
иэпюры интенсивности рассеянного гамма-излучения в зависимости от расстояния до лавы и по ним определяются переходные коэффи циенты от интенсивности гамма-излучения к напряженному состоя нию.
Тарировку следует проводить в. той же пачке угольного пласта, в которой будут выполняться измерения в лавах. Следует выбирать наиболее однородные угольные пачки. Расстояние от шпура до пород кровли, почвы или породного прослойка не должно быть менее 150 мм. Для получения более надежных тарировочных данных, тари ровку прибора следует выполнить в 3—5 точках угольного пласта.
Для измерения напряженного состояния угольных пластов в лаве бурят шпуры диаметром 44 мм. Длина шпуров, их число в лаве и расстояние между ними определяются задачей исследований. Измере ния можно выполнять как в обсаженных трубами шпурах, так и в не
обсаженных. Следует стремиться, чтобы зазоры между стенками шпу ров и зондом были минимальными и в то же время не препятствова ли продвижению зонда в шпуре. Толщина стенок обсадных труб должна быть одинаковой по всей их длине.
Гильза зонда прибора с помощью стержня-удлинителя вставляется
вшпур до его забоя, а затем с шагом в 10—20 см измеряется ско рость счета рассеянного гамма-излучения в течение одной минуты. Высокая стабильность показаний прибора позволяет выполнить в каждой точке по 1—2 замера скорости счета. При необходимости измерения выполняются как с коллиматором, так и без коллимато ра. При работе с коллиматором измерения следует выполнять при шести положениях зонда, ориентирующим излучение вверх, вправо, вниз, влево и в направлениях NAS, N22S.
Гидравлический датчик, используемый для тарировки прибора, позволяет определять среднюю величину напряжений, действующих
вплоскости, перпендикулярной к оси датчика (шпура). Для разделе ния их на составляющие предлагается следующая методика.
Определяется переходной коэффициент от скорости счета рассе янного гамма-излучения к напряжениям :
С = oa/Nc , |
(9.2) |
где <7д — напряжения в массиве, измеренные гидравлическим датчи ком; Nc = (N0 + N90 + NlS0 + N%no)/4 — средняя скорость счета рассе янного гамма-излучения.
Строит. ; i рафик зависимости коэффициента С от расстояния до забоя ЛиБЫ .
Определяется отношение напряжений
<70 /®90 — |
"** "^180 )/ С^90 |
-^270 ) » |
(9.3) |
а также |
|
|
|
|
-*-АГ1в0)/2 и о90 |
= С (JV90 + N270) /2 . |
(9.4) |
Определяется |
|
|
|
°4S = C(N4S + N22S)/2. |
|
(9.5) |
Для получения эллипсоида напряжений такие измерения необхо димо выполнить в трех взаимно перпендикулярных шпурах.
Метод измерения напряжений по деформациям упругого после действия основан на способности горных пород деформироваться не которое время после снятия с них нагрузки. Деформации упругого последействия иначе называют обратной ползучестью.
Горные породы, будучи телами многофазными и полиминеральными, имеют компоненты, обладающие как упругими, так и вязкими свойствами. Среда, склонная к упругому последействию изображает ся так называемым телом Кельвина (рис. 9.2), представляющим со бой параллельное соединение упругого тела Гука (пружина) и вязко го тела Ньютона (поршень в стакане с вязкой жидкостью). Многие
Деформация за какой-то промежуток времени t2— после осво бождения тела Кельвина от нагрузки
|
|
L G |
|
£| G |
Де, |
о |
exp ( - |
exp ( - |
(9.11) |
t2—tj |
2G |
|
2G |
|
Представления для одноосных напряжений и деформаций можно распространить на изотропные компоненты объемного напряженного состояния. 1
В этом случае среднее напряжение р = - g - (а1 + а2 + а3 ) можно выразить как
р = Kev + Çèv , |
(9.12) |
где К — объемный модуль деформации; |
ev = e1 + е2 + е3, èv — отно |
сительная объемная деформация и ее скорость; |
f — объемная вяз |
|
кость последействия. |
|
|
По аналогии с предыдущими уравнениями |
|
|
t2K |
t^K |
|
Aevh- ,t = ~5ке*P1 _ Г ) _ ^ ' ехP( |
|
<9ДЗ> |
Таким образом, для того чтобы определить величину напряжений в массиве, а также модуль сдвига и вязкость последействия горных
пород |
(включая объемный модуль деформации и объемную вяз |
кость) , необходимо : |
|
зафиксировать время t l после освобождения образца горной по |
|
роды |
или части массива от напряжений до начала наблюдений за де |
формациями обратной ползучести; |
|
построить кривые деформации упругого последействия Aev = |
|
= f ( t ) |
за промежуток времени (t2 — f, ), желательно до прекращения |
деформаций упругого последействия; по формуле (9.13), используя экспериментальные данные и кри
вую объемных деформаций упругого последействия, определить р, К
и ?;
от общей деформации в искомом направлении Девычесть де- 1
формацию объемного расширения ~д"е» и, получив Де0 по форму
ле (9.10), определить девиатор напряжений а0 ; к найденному значению о0 прибавить составляющую шарового
тензора напряжений р. Это и будет искомая величина напряжений, действующих на породу в массиве до момента ее разгрузки в направ лении измерений.
Теоретические разработки метода измерений напряженного со стояния по деформациям упругого последействия позволяют созда вать самуюч.разнообразную аппаратуру, в частности создан прибор ПООП — прибор определения обратной ползучести (рис. 9.4).
Для того, чтобы определить направление главных напряжений в массиве по деформациям обратной ползучести по кернам скважин,