книги / Свойства горных пород при разных видах и режимах нагружения

Рис. 8.14. Схема (а) и результаты прозвучивания (б) через три скважины:

С?пр — скорость продольной волны 1 — по горизонтали (по падению); 2 — по вер­ тикали; 3 — в глубину массива (по простиранию); Л — глубина шпуров

Схема № 3 — прозвучивание с использованием трех скважин (рис. 8.14). Все три скважины расположены на одной линии. В одной из крайних скважин устанавливается возбудитель сигнала, во второй запускающий датчик, а в третьей датчик, предназначенный для оста­ новки счета прибора. Расстояние между скважиной, в которой распо­ ложен источник возбуждаемого сигнала и скважиной с источником ’’Запуск” для угля должно составлять порядка 3 м. Расстояние меж­ ду двумя скважинами (между запускающим и стопорящим датчика­ ми) определяется в зависимости от поставленной задачи и местных условий.

По бесскважинной схеме сейсмоприемники устанавливаются вдоль профиля на поверхности массива. .Крепление сейсмоприемни­ ков к массиву производится с помощью алебастра или с помощью штырей. Возбуждение сигнала производится ударом по наковальне, вбитой вблизи запускающего сейсмоприемника. Останавливающий сейсмоприемник передвигается вдоль профиля прозвучивания с ша­ гом 1 м. Возможен вариант установки сейсмоприемников в подбур­ ках глубиной до 0,5 м.

По данным сейсмопрофилирования строятся годографы первых вступлений сейсмических волн. Скорость сейсмических волн опреде­ ляется способом разностного годографа, построенного по системе встречных годографов.

Изготовленное в ИГД им. А.А. Скочинского оборудование приме­ няется для скважин диаметром 42 мм и глубиной до 7,5 м. Для сква­ жин большей глубины необходимо иметь соответствующую длину досылочных шлангов.

Методика исследований. В начале выбирается схема прозвучива­ ния в зависимости от поставленной задачи и горно-геологических ус­ ловий. Затем приступают к бурению скважин. Глубина, диаметр и расстояни между скважинами устанавливаются в соответствии с

поле, распространяясь со скоростью, в 104 -г 10s 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 сис­ темы для записи и воспроизведения сейсмических процессов с разре­ шающей способностью не выше 0,25 мс). Однако, измерительная аппаратура имеет определенный нижний порог чувствительности а, сигнал £/min < а, ослабленный средой, не будет выделяться на фоне собственных шумов и случайных помех. Поэтому на некотором рас­ стоянии г (таком, что г (z) < а, где г (z) — текущая амплитуда сигнала эффекта £ ) 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 точ­ ке 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 ” 0 ” , расстояние которой до точ.ки наблюдений равно базе прослеживания /. В этот момент эффект Е будет зарегистрирован в точке Р, расположенной дальше по профи­ лю, а через время Дt = l/c (I — расстояние прослеживания, с — ско­ рость упругой волны) в точку Р придет сейсмическая волна. Размер зоны прослеживания зависит при прочих равных условиях от прово­ димости горных пород, которая в свою очередь связана с напряжен­ ным состоянием массива. Поэтому параметр At несет в себе инфор­ мацию 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 прозвучивайия с разных точек можно определить место расположения этого на­ рушения. Это положение было проверено.

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

На расстоянии 15—20 м от нарушения At минимально, а следова­ тельно напряжения максимальны, на расстояниях свыше 30 м влия­ ние нарушения выражено слабо. Повышенные значения At вблизи нарушения (до 5 м) Связаны, вероятно, с зоной дробления у плоско­ сти 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 194

Таблица 8.2. Опережении At вблизи тектонического нарушения

№ 1, 2, 3 — через одну, две и три скважины. Цель проведения экспе­ риментов — испытание датчиков с пневматическим прижимом при различных способах возбуждения акустического сигнала и схемы прозвучивания. При прозвучивании через две скважины глубина разме­ щения приемного датчика и глубина источника возбуждения сигнала были одинаковые.

Вкачестве сейсмоприемников были приняты два типа: поршневой

счастотой 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 стен­ ке шпура. Расстояние датчиков от забоя составляло 0,5^- 3,5 м, коэф­ фициент вариации скоростей распространения продольных волн на одном пикете составлял 5—16 % и зависел, в основном, от стабильно­ сти 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 порш­ невого типа. База прозвучивания 0,6—2,1 м. Результаты прозвучива­ ния показали увеличенный коэффициент вариации при определении скоростей распространения продольных волн, который составлял 1 7 ,5 -2 0 %.

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-г 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 про­ звучивания через одну скважину дает несколько больший коэффици­ ент вариации. Это обусловлено тем, что возбуждение сигнала произ­ водилось ударом по забою, который был в какой-то степени нарушен

иуголь был частично отжат. Тем не менее эта схема имеет преимуще­ ства, заключающиеся в том, что уменьшается объем буровых работ

иупрощается процесс прозвучивания. Несколько повышенный коэф­ фициент 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 .1 м, уголь — антрацит). Испытания произ­ водились с использованием всех трех схем.

По схеме № 1 прозвучивание производили через одну скважину в двух вариантах (с неподвижной точкой возбуждения и перемещаю­ щимся приемным датчиком и с неподвижным датчиком, но переме­ щающейся точкой удара). Сигнал возбуждали с помощью молотка со встроенным в него пьезоэлементом для запуска прибора и при помо­ щи ударного устройства, в промежуточный элемент которого также встроен пьезоэлемент. База прозвучивания 1,02-г 5 м. При стабильном импульсе (возбуждении сигнала с помощью ударного устройства), коэффициент вариации полученных данных по скоростям распростра­ нения 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 рас­ пространения волн получаются несколько ниже, чем при использова­ нии датчика поршневого типа, так как биморфно-инерционный дат­ чик обладает некоторой инерционностью, которая может быть учтена тарировкой. Тем не менее показания биморфно-инерционного датчи­ ка достаточно стабильные, коэффициент вариации на базе 156 см колебался в пределах 3,7 -г 7,7 %.

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

На графике зависимости скорости продольных волн от базы (см. рис. 8.12) при прозвучивайии по схеме № 1 через одну скважину мож­ но выделить три зоны давлений. На базе прозвучивания 1,2 м наблю­ дается 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 прозвучи­ вания, она менее трудоемка, чем схемы № 2 и 3. Однако, точно изме­ рить 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 про­ дольных волн по простиранию пласта (ось III) меняется незначитель­ но (кривая 2), тогда как в вертикальной плоскости скорость про­ дольной волны с глубиной шпура изменяется интенсивно. Наблюда­ ются три зоны давления.

На графике зависимости скорости продольных волн от глубины шпура при прозвучивании по схеме № 3 (см. рис. 8.14) также выделят­ ся 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 показа­ но только ее начало.

Прозвучивание Массива производилось по трем осям: ось / — вер­ тикальная, II — горизонтальная (по падению пласта), III — горизон­ тальная (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 наличи­ ем растягивающих напряжений в этом направлении. Аналогичные ре­ зультаты были получены при испытании песчаника на установке вы­ сокого давления.

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

Экспериментальные данные, обработанные методами математиче­ ской статистики показывают, что распределение отклонений отдель­ ных измерений скоростей распространения продольных волн от сред­ ней величины имеет ясно выраженный максимум в центральной части и может быть в первом приближении отождествлено с нормальным распределением.

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

Влаве были пробурены горизонтальные и вертикальные шпуры, из которых одни служили для возбуждения сигнала, вторые для за­ пуска прибора и третьи для приема сигнала. Прозвучивание произво­ дили 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 производи­ лось нагружение освобожденной части массива путем нагнетания масла в гидродомкраты. Массив нагружали ступенями и каждый раз прозвучивали. Когда массив начинал трещать, производили разгруз­ ку такими же ступенями с замером акустических параметров.

Врезультате прозвучивания были получены акустические харак­

теристики 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 плоскос­ ти больше, чем по оси 2 (боковой распор). Результаты прозвучивания массива на станции № 4 (рис. 8.17) аналогичны проведенным выше.

'пр,м/с

Сейсмический метод оказался вполне пригодным для определе­ ния напряженного состояния угольного пласта вблизи горных выра­ боток, 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 прибо­ ров, а также надежность схем прозвучивания. Коэффициент вариации не превышал 13,5 % и в среднем составлял 4—5 %.

8.3. МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ОЦЕНКИ НАРУШЕННОСТИ УГОЛЬНЫХ ПЛАСТОВ

В последние 10—15 лет ведутся интенсивные исследования с целью создания методов и средств сейсморазведки мелкоамплитудных нарушений из подземных выработок и скважин, созданы сейсмостан­ ции (табл. 8.3).

Таблица 8.3. Сейсмостанции автономного питания, используемые для поисков

тектонического нарушения с амплитудой 20 % от мощности пласта на расстоянии порядка 200 м.

Минимальная мощность пласта на исследуемом участке составля­ ет 0,6 м как для МОВ, так и для МПВ.

Угол падения пласта не оказывает влияния на процесс распростра­ нения интерференционных волн, если он остается постоянным на исследуемом участке.

Применение группирования сейсмоприемников позволяет исполы зовать шахтную высокочастотную сейсморазведку в условиях вы со­ кого уровня технологических шумов и получать диаграмму направ­ ленности группы по смещениям, что позволяет устранить основной недостаток метода веерного просвечивания.

Параметры источника возбуждения сигнала оказывают существен­ ное влияние на качество сейсмического материала, и позволяют улуч­ шить обработку и интерпретацию сейсмограмм.

На выбор схемы наблюдений в шахтной сейсморазведке оказы­ вает влияние ряд обстоятельств, основными из которых являются: аппаратурный фактор, связанный с наличием в аппаратуре автомати­ ческой и программной регулировки усиления (АРУ и ПРУ), что обус­ ловливает возможность использования МОВ в шахтной сейсморазвед­ ке; наличие выработок, оконтуривающих исследуемый участок; достаточная изученность волновой картины, присущей данному участку наблюдений.

Для обнаружения и оконтуривания сейсмической аномалии по кинематическим и динамическим параметрам используется метод проходящих волн (рис. 8.19), при котором пункты возбуждения (1) и профили наблюдения (1—2) меняются местами. Расстояние между