Сейсмоэлектрические метод оценки состояния горных пород

14.11.2019

Этот метод предназначен для оценки напряженности массива в дальней зоне (более 10 м от линии забоя) и используется применительно к прогнозированию нарушений угольных пластов.

По Э.И. Пархоменко сейсмоэлектрические явления связаны, в основном, с пьезоэффектом горных пород, эффектами первого и второго рода, причем на породах угольной формации регистрируются в натурных условиях электризации, связанные с сейсмоэлектрическим эффектом второго рода (эффект Е). Возникновение эффекта E объясняется электрокинетическими явлениями во влагосодержащих породах на границе жидкость — горная порода, особенности которого достаточно хорошо исследованы Э.И, Пархоменко и И.М. Нейштадтом. Сейсмоэлектрические вступления опережают сейсмический сигнал на 3—20 мс, в зависимости от свойств горных пород исследуемого участка.

При прохождении упругой волны через участок массива, в нем возникает эффект Е, на фронте упругой волны возникает сейсмоэлектрический потенциал, закон изменения которого совпадает с исходным сейсмическим импульсом. Возникшее электромагнитное поле, распространяясь со скоростью, в 10в4 = 10в5 раз, превышающей скорость звука и должно практически мгновенно регистрироваться измерительной системой при базе измерений, не превышающей 300 — 400 м (имеются в виду реально существующие регистрирующие системы для записи и воспроизведения сейсмических процессов с разрешающей способностью не выше 0,26 мс). Однако, измерительная аппаратура имеет определенный нижний порог чувствительности а, сигнал Umin < a, ослабленный средой, не будет выделяться на фоне собственных шумов и случайных помех. Поэтому на некотором расстоянии r (таком, что r(z) < a, где r(z) — текущая амплитуда сигнала эффекта Е) мы не будем фиксировать полезного сигнала. Здесь можно говорить о существовании "зоны прослеживания", внутри которой в каждой точке полезный сигнал регистрируется, а вне ее отсутствует.

Пусть в начальный момент упругий импульс находится в точке О, в которой произошла поляризация горной породы (эффект Е). В этот же момент сейсмоэлектрический импульс регистрируется на всем участке базы прослеживания. Распространяясь далее импульс упругой волны достигнет точки "О", расстояние которой до точки наблюдений равно базе прослеживания I. В этот момент эффект E будет зарегистрирован в точке Р, расположенной дальше по профилю, а через время At = l/с (l — расстояние прослеживания, с — скорость упругой волны) в точку P придет сейсмическая волна. Размер зоны прослеживания зависит при прочих равных условиях от проводимости горных пород, которая в свою очередь связана с напряженным состоянием массива. Поэтому параметр At несет в себе информацию о напряжениях, действующих в массиве.

Таким образом, по отставанию сейсмического сигнала от сейсмоэлектрического можно судить о напряженности массива.

Поскольку напряжения приурочены, как правило, к нарушениям угольного пласта, то по ним, используя метод прямого прозвучивания с разных точек можно определить место расположения этого нарушения. Это положение было проверено.

Так, на шахте "Дружба" производственного объединения Донбассантрацит вблизи известного тектонического нарушения, где провели сейсмоэлектрическое профилирование вдоль подготовительной выработки. В результате получен ряд значений опережения At сейсмоэлектрического сигнала по отношению к сейсмическому (табл. 8.2). Данные табл. 8.2 получены усреднением пяти измерений с коэффициентом вариации, не превышающем 3 %.

На расстоянии 15—20 м от нарушения At минимально, а следовательно напряжения максимальны, на расстояниях свыше 30 м влияние нарушения выражено слабо. Повышенные значения At вблизи нарушения (до 5 м) связаны, вероятно, с зоной дробления у плоскости сместителя.

Акустические исследования напряженного состояния массива. На шахте им. Артема производственного объединения Ростовуголь в лаве № 310 (мощность пласта 0,8—0,9 м, марка угля — антрацит) экспериментальные работы проводили прибором ПОСВ-3 по схемам № 1, 2, 3 — через одну, две и три скважины. Цель проведения экспериментов — испытание датчиков с пневматическим прижимом при различных способах возбуждения акустического сигнала и схемы прозвучивания. При прозвучивании через две скважины глубина размещения приемного датчика и глубина источника возбуждения сигнала были одинаковые.

В качестве сейсмоприемников были приняты два типа: поршневой с частотой 200 кГц и биморфно инерционный.

По схеме № 2 в варианте А шпуры располагали в вертикальной плоскости на расстоянии 50 см. Источник возбуждения сигнала — удар по штанге, в которой размещен запускающий пьезодатчик, Приемник — поршневой датчик с пневматическим прижимом к стенке шпура. Расстояние датчиков от забоя составляло 0,5/3,5 м, коэффициент вариации скоростей распространения продольных волн на одном пикете составлял 5—16 % и зависел, в основном, от стабильности возбуждения сигнала.

По схеме № 1 профиль прозвучивания располагали по падению пласта (вдоль лавы). Возбуждение сигнала производилось ударом кувалды по штырю, вбитому в массив забоя. Сейсмоприемник поршневого типа. База прозвучивания 0,6-2,1 м. Результаты прозвучивания показали увеличенный коэффициент вариации при определении скоростей распространения продольных волн, который составлял 17,5-20%.

По схеме № 2 в варианте Б прозвучивание производили через два шпура, расположенные вдоль линии забоя лавы. Сейсмоприемник поршневой. База прозвучивания 0,5 м. Глубина заложения датчиков составляла 0,5-1,3 м. Коэффициент вариации 4,9/15,7 %.

По схеме № 2 в варианте В шпуры располагали вдоль линии забоя лавы. Сигналы возбуждали ударом по штанге, в которой был встроен пьезоэлемент. Приемный сейсмоприемник биморфно-инерционного типа. База прозвучивания 1 м. Глубина заложения сейсмоприемника 1 м. Коэффициент вариации составил 12,4 %.

Результаты экспериментальных работ показывают, что схема прозвучивания через одну скважину дает несколько больший коэффициент вариации. Это обусловлено тем, что возбуждение сигнала производилось ударом по забою, который был в какой-то степени нарушен и уголь был частично отжат. Тем не менее эта схема имеет преимущества, заключающиеся в том, что уменьшается объем буровых работ и упрощается процесс прозвучивания. Несколько повышенный коэффициент вариации при использовании схемы № 2 также обусловлен нестабильностью ударного импульса, который возбуждался ударом молотка по штанге.

На шахте "Южная" производственного объединения Ростовуголь экспериментальные работы проводили в лаве № 570 на горизонте 700 м (мощность пласта 1 м, уголь — антрацит). Испытания производились с использованием всех трех схем.

По схеме № 1 прозвучивание производили через одну скважину в двух вариантах (с неподвижной точкой возбуждения и перемещающимся приемным датчиком и с неподвижным датчиком, но перемещающейся точкой удара). Сигнал возбуждали с помощью молотка со встроенным в него пьезоэлементом для запуска прибора и при помощи ударного устройства, в промежуточный элемент которого также встроен пьезоэлемент. База прозвучивания 1,02/5 м. При стабильном импульсе (возбуждении сигнала с помощью ударного устройства), коэффициент вариации полученных данных по скоростям распространения волн не превышал 7,7 %, тогда как при возбуждении колебаний ударом молотка он достигал 49 %.

Следует отметить, что при использовании в качестве приемника биморфно-инерционного датчика результаты замеров скоростей распространения волн получаются несколько ниже, чем при использовании датчика поршневого типа, так как биморфно-инерционный датчик обладает некоторой инерционностью, которая может быть учтена тарировкой. Тем не менее показания биморфно-инерционного датчика достаточно стабильные, коэффициент вариации на базе 156 см колебался в пределах 3,7/7,7 %.

Поршневой сейсмоприемник работает стабильно, заложенный в конструкцию принцип пневматического распора в шпуре вполне оправдывает себя при давлении 1,5*10в5 Па.

На графике зависимости скорости продольных волн от базы (см. рис. 8.12) при прозвучивании по схеме № 1 через одну скважину можно выделить три зоны давлений. На базе проэвучивания 1,2 м наблюдается резкое снижение скорости продольных волн, что объясняется наличием локальной трещины на пути прозвучивания.

Схема № 1 может быть использована при определении расслоений и различных трещин, расположенных вкрест направлению прозвучивания, она менее трудоемка, чем схемы № 2 и 3. Однако, точно измерить величину зон по этой схеме трудно, так как сигнал от источника возбуждения по пути к сейсмоприемнику может пересекать сразу все три зоны, скорость волны получается усредненной и потому менее информативной.

При прозвучивании по схеме № 2 (см. рис. 8.13) скорость продольных волн по простиранию пласта (ось III) меняется незначительно (кривая 2), тогда как в вертикальной плоскости скорость продольной волны с глубиной шпура изменяется интенсивно. Наблюдаются три зоны давления.

На графике зависимости скорости продольных волн от глубины шпура при прозвучивании по схеме № 3 (см. рис. 8.14) также выделятся три зоны: зона отжима (Пониженных скоростей продольных волн), зона опорного давления (повышенных скоростей продольных волн) и зона установившегося давления (зона стабильных скоростей продольных волн). Последняя зона выявлена не полностью, а показано только ее начало.

Проpвучивание Массива производилось по трем осям: ось I — вертикальная, II — горизонтальная (по падению пласта), III — горизонтальная (по простиранию пласта). Различие скоростей волн по разным направлениям объясняется анизотропией пласта, а также различной степенью его напряженного состояния по осям. Скорость продольных волн по оси III (кривая 3) не менялась, что можно объяснить наличием растягивающих напряжений в этом направлении. Аналогичные результаты были получены при испытании песчаника на установке высокого давления.

Аппаратура и схемы прозвучивания вполне обеспечивают получение надежных данных как по скорости прохождения волны, таки по степени напряженности массива по различным осям.

Экспериментальные данные, обработанные методами математической статистики показывают, что распределение отклонений отдельных измерений скоростей распространения продольных волн от средней величины имеет ясно выраженный максимум в центральной части и может быть в первом приближении отождествлено с нормальным распределением.

С целью подтверждения правомерности определения напряженного состояния угля в забое сейсмическим методом на шахте "Южная" был выбран опытный участок в разрезной печи лавы № 509. Пласт мощностью 1,4 м в серединe имел прослоек глинистого сланца. На экспериментальном участке были построены четыре замерные станции, из которых станция № 1 использовалась для тарировки скорости продольных волн от давления, станция № 2 для тарировки и прозвучивания, а станции № 3 и 4 для прозвучивания.

В лаве были пробурены горизонтальные и вертикальные шпуры, из которых одни служили для возбуждения сигнала, вторые для запуска прибора и третьи дли приема сигнала. Прозвучивание производили по схеме № 3: сначала не разгруженного массива, а затем выше шпуров выбирали нишу, которая освобождала нижележащий массив от давления, после чего массив прозвучивали вторично в этих же шпурах. Далее в нишу устанавливали гидродомкраты и производилось нагружение освобожденной части массива путем нагнетания масла в гидродомкраты. Массив нагружали ступенями и каждый раз прозвучивали. Когда массив начинал трещать, производили разгрузку такими же ступенями с замером акустических параметров.

В результате прозвучивания были получены акустические характеристики пород в естественном состоянии, после снятия нагрузки и тарировочные данные по изменению скорости продольных волн от давления. На графике, полученном по данным станции № 2 (рис. 8.16), видны три зоны по глубине прозвучивания. Скорости продольных волн по вертикали (1) оказались значительно выше, чем по горизонтали (2). Следовательно давление в вертикальной плоскости больше, чем по оси 2 (боковой распор). Результаты прозвучивания массива на станции N° 4 (рис. 8.17) аналогичны проведенным выше.

Сейсмический метод оказался вполне пригодным для определения напряженного состояния угольного пласта вблизи горных выработок, однако следует иметь в виду, что метод тарировки в забое с использованием гидроподушек громоздкий и вряд ли его можно рекомендовать к массовому применению на шахтах.

Эксперименты показали стабильность работы аппаратуры и приборов, а также надежность схем прозвучивания. Коэффициент вариации не превышал 13,5 % и в среднем составлял 4—5 %.

Имя:*
E-Mail:
Комментарий:
Информационный некоммерческий ресурс fccland.ru © 2019
При цитировании и использовании любых материалов ссылка на сайт обязательна