Материал: Свойства горных пород при разных видах и режимах нагружения

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