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
данными, указанными выше. Далее измеряют расстояние между устьями скважин и определяют направленность скважин относитель но друг к другу. После этого размещают датчики и путем нагнетания воздуха в подающие шланги прижимают их к стенкам скважины. Давление, создаваемое в шланге, составляет 0,15 МПа. Затем подклю чают аппаратуру и производят пробные замеры. Если при этом обна руживается резкая разница между отдельными показаниями прибора, то производят подкачку воздуха в шланги и многократными ударами
водно и то же место улучшают контакт между передающей штангой
изабоем. После стабилизации показаний прибора снимают рабочий, отсчет. Для каждой базы делают не менее девяти замеров (12 заме ров позволяют получить данные с достоверностью 99,>7 %).
Анализ многочисленных экспериментальных данных по установ лению зависимостей скоростей продольных волн от давления, дей ствующего в направлении распространения этих волн показал, что эта зависимость — Оф = f ( P ) в общем виде выразится кривой, на которой имеется точка перегиба.
Разработан принцип построения тарировочной кривой Спр - /(Я ), позволяющий без использования специальных давильных устройств, зная скорость распространения волн при различных напряженных состояниях массива, определять примерно напряжение в любой его точке (в долях уН) *.
При построении тарировочной кривой необходимо знать скорость
продольной волны в ненагруженном массиве СПр.н* в точке перегиба
Спр.т.п |
и в глубине массива |
(где действует только |
уН). Величины |
|||||
СПр.н |
и Спр.г находят в массиве путем непосредственных замеров. |
|||||||
Скорость продольных волн в точке перегиба Спр. т. п |
определяют по |
|||||||
уравнению |
|
|
|
|
|
|
||
^пр. т.п = 0,93 СПр.н 0,863. |
|
|
|
|
|
|
||
Тарировочную кривую строят следующим образом. По оси орди |
||||||||
нат откладывают скорость продольных |
волн |
(рис. |
8.15): первона |
|||||
|
|
чально |
в ненапряженном |
массиве |
||||
|
|
СПр. н * а затем на этой же оси откла |
||||||
|
|
дывают скорость продольной вол |
||||||
|
|
ны, которая |
соответствует точке |
|||||
|
|
перегиба. Из полученной точки, со |
||||||
|
|
ответствующей |
Спр. т. п |
проводят |
||||
|
|
пунктирную |
линию, параллельную |
|||||
|
|
оси абсцисс. |
|
|
|
|
||
|
|
Из |
точки, |
соответствующей |
||||
Рис. 8.15. Тарировочная кривая для |
Спр. н * расположенной на оси орди |
|||||||
нат под углом к |
оси абсцисс ф = |
|||||||
определения напряженности масси |
- 180 — (v? — а) |
проводят прямую |
||||||
ва по скорости продольных волн |
||||||||
линию |
до пересечения с |
горизон- |
||||||
|
|
|||||||
"Справедливо для районов, не приуроченных к зонам с повышенными тек тоническими напряжениями.
Породы
Песчаники
Известняки
Аргиллиты Угли (антрациты)
а
1° зо' — 3° 3 °2 0'—4°10'
0 |
1 |
о |
сл |
1 о 00 |
0 |
О Нт |
*
125° -1 3 0 ° 130° —135° 135° -1 4 0 ° 1 4 0 °-1 4 5 °
тальной пунктирной линией, проведенной из точки, соответствующей Спр т п . Из полученной точки пересечения этих прямых под углом а (табл. 8.1) к оси абсцисс проводят вторую прямую линию. Таким образом получается ломаная тарировочная линия.
После этого на оси ординат откладывают точку Спр.г и проводят горизонтальную пунктирную линию до пересечения с тарировочной линией. Из полученной точки пересечения опускают перпендикуляр на ось абсцисс.
Точка пересечения перпендикуляра с осью абсцисс будет соответ ствовать значению уII. Полученный масштаб в долях уН наносится на всю ось абсцисс.
Методика и аппаратура для оценки напряженности массива были проверены в натурных условиях. Результаты испытаний подтвердили возможность надежного определения аппаратурой АИВ скоростей распространения продольных волн по предложенным схемам прозвучивания. Сравнение полученных результатов по оценке напряженно сти массива сейсмоакустическим методом и методом разгрузки пока зывает достаточно хорошую их сходимость.
8.2. СЕЙСМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ МЕТОД
Этот метод предназначен для оценки напряженности массива в даль ней зоне (более 10 м от линии забоя) и используется применительно к прогнозированию нарушений угольных пластов.
По Э.И. Пархоменко сейсмоэлектрические явления связаны, в ос новном, с пьезоэффектом горных пород, эффектами первого и вто рого рода, причем на породах угольной формации регистрируются в натурных условиях электризации, связанные с сейсмоэлектрическим эффектом второго рода (эффект Е). Возникновение эффекта Е объ ясняется электро кинетическими 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 сиг нал на 3—20 мс, в зависимости от свойств горных пород исследуемо го 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 ис ходным сейсмическим импульсом. Возникшее электромагнитное
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
Расстояние до нарушения, м |
35 |
30 |
25 |
20 |
15 |
10 |
5 |
Величина At, мс |
10 |
9,75 |
8,5 |
6,75 |
5,75 |
8,5 |
11,25 |
№ 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.