способ прогноза разрушения массива горных пород

Формула изобретения

Способ прогноза разрушения массива горных пород, включающий регистрацию сигналов электромагнитного излучения (ЭМИ) и измерение длительностей этих сигналов, отличающийся тем, что дополнительно одновременно измеряют длительности Т_i периодов следования этих сигналов, нагрузку на исследуемый участок массива, наблюдая сначала ее увеличение до максимальной с последующим падением, и скорость V_i ее падения, причем по началу уменьшения длительностей Т_i периодов следования сигналов ЭМИ до длительности Т_н и одновременному началу увеличения скорости V _i падения нагрузки от скорости V_н судят о начале нарушения сплошности этого участка массива, а затем по последующему одновременному уменьшению длительностей Т_i периодов следования сигналов ЭМИ до длительности T_(n-1) и дальнейшему увеличению скорости V_i падения нагрузки до скорости V_(n-1) судят о развитии процесса нарушения сплошности исследуемого участка массива, а при соотношениях

Т_n (10³÷10⁴ )Т_н,

V_n (7÷10)V_н,

где Т _n - минимальное значение длительности следования сигналов ЭМИ (n-й период);

Т_н - длительность периода следования сигналов ЭМИ, с которого начинается ее уменьшение;

V_n - максимальное значение скорости падения нагрузки на исследуемом участке массива (n-й период следования сигналов ЭМИ);

V_н - скорость падения нагрузки на исследуемом участке массива, с которой начинается ее увеличение,

судят о критическом состоянии нарушения сплошности исследуемого участка массива, после которого наступает его разрушение.

Описание изобретения к патенту

Техническое решение относится к горному делу и может быть использовано для прогноза и контроля разрушения массивов горных пород при динамических проявлениях в нем, опасных для жизни горнорабочих, при изменении его напряженно-деформированного состояния (НДС).

Известен способ прогноза разрушения массива горных пород по а.с. СССР №1562449, кл. Е21С 39/00, опубл. в БИ №17 за 1990 г., который включает регистрацию во времени эмиссионных импульсов в массиве, определение частоты их максимума спектральной плотности, одновременное измерение амплитуды максимальной спектральной составляющей, определение скорости изменения амплитуды по времени и по частоте и по одновременному уменьшению обеих скоростей определение начала разрушения массива, при этом в качестве эмиссионных импульсов регистрируют импульсы электромагнитного излучения (ЭМИ).

Недостатком этого способа является то, что регистрация количества импульсов ЭМИ и их длительностей не является определяющей характеристикой при прогнозировании динамических проявлений горного давления, т.к. в подземных горных выработках находится большое количество электрооборудования, в т.ч. электроподстанции, излучающие электрические сигналы различной длительности, которые могут быть ложно интерпретированы в качестве сигналов, дающих информацию об изменении состояния массива. Поэтому известный способ не отличается достоверностью измерений.

Другим недостатком является то, что количество регистрируемых импульсов ЭМИ не всегда является основным параметром при прогнозировании динамических проявлений в массивах горных пород, т.к. их возникновение может быть связано, например, с разгрузкой напряжений на участке массива, что, в свою очередь, не влечет за собой катастрофических последствий, а, наоборот, является профилактическим мероприятием для снятия повышенных напряжений в массиве и предотвращения разрушения.

Следовательно, для большей достоверности прогноза разрушения участка массива горных пород необходимо проводить дополнительные измерения какого-либо параметра сигналов ЭМИ, что позволит идентифицировать возникновение сигналов ЭМИ, связанных с трещинообразованием, и, следовательно, с приближением стадии разрушения в массиве.

Наиболее близким к предлагаемому способу по технической сущности и совокупности существенных признаков является способ прогноза разрушения массива горных пород по патенту РФ №2229597, кл. Е21С 39/00, опубл. в БИ №15 за 2004 г., включающий регистрацию сигналов ЭМИ, измерение их длительностей, регистрацию начала возникновения периодических низкочастотных колебаний сигналов ЭМИ, по которым определяют начало потери сплошности массива, по увеличению длительностей периодов этих колебаний во времени и/или их амплитуд судят о развитии процесса потери сплошности массива, а о критическом состоянии потери сплошности массива, после которого наступает его разрушение, судят по установленным зависимостям.

Недостатком этого способа является то, что изменение длительности сигнала ЭМИ зачастую не является фактором, характеризующим начало катастрофического разрушения, т.к. при возникновении микротрещины и сопутствующего ей сигнала ЭМИ на границе двух резко различных по своим физико-механическим свойствам горных пород, например мраморов и базальтов, сигнал ЭМИ может иметь параметры, отличные от параметров сигналов ЭМИ, возникающих в однородной среде (либо в мраморах, либо в базальтах) и иметь значительные длительности, хотя это и не связано с изменением НДС массива, а связано лишь с различием электрических характеристик пород, находящихся в контакте. Кроме того, при наличии различного рода включений, пустот, трещин и обводнений участков массива параметры сигналов ЭМИ вне зависимости от изменения НДС также могут существенно различаться между собой.

Следовательно, для большей достоверности прогноза необходимо проводить измерения дополнительного, уточняющего, параметра, характеризующего сигналы ЭМИ и их приближение к стадии нарушения сплошности.

Недостатком этого способа является контроль состояния участка массива по параметрам сигналов ЭМИ, являющихся опосредованной характеристикой его состояния, и отсутствие контроля изменения механических характеристик, в частности величины нагрузки массива или скорости ее падения, и соответствие измеряемых параметров изменению структуры в сигналах ЭМИ. Следовательно, для большей достоверности измерений необходимо дополнительно проводить измерения, кроме параметров ЭМИ, механического параметра массива.

Техническая задача - повышение достоверности прогноза разрушения массива горных пород за счет получения дополнительной информации о состоянии массива горных пород перед началом процесса его разрушения и детализации развития этого процесса.

Поставленная задача решается тем, что в способе прогноза разрушения массива горных пород, включающем регистрацию сигналов ЭМИ и измерение их длительностей, согласно техническому решению дополнительно одновременно измеряют длительности Т_i периодов следования этих сигналов, нагрузку на исследуемый участок массива, наблюдая сначала ее увеличение до максимальной с последующим падением, и скорость V_i ее падения, причем по началу уменьшения длительностей Т_i периодов следования сигналов ЭМИ до длительности Т_н и одновременному началу увеличения скорости V _i падения нагрузки от скорости V_н судят о начале нарушения сплошности этого участка массива, а затем по последующему одновременному уменьшению длительностей T_i периодов следования сигналов ЭМИ до длительности T_(n-1) и дальнейшему увеличению скорости V_i падения нагрузки до скорости V_(n-1) судят о развитии процесса нарушения сплошности исследуемого участка массива, а при соотношениях

Т_n (10³÷10⁴ )Т_н,

V_n (7÷10)V_н,

где Т _n - минимальное значение длительности следования сигналов ЭМИ (n-й период);

Т_н - длительность периода следования сигналов ЭМИ, с которого начинается ее уменьшение;

V_n - максимальное значение скорости падения нагрузки на исследуемом участке массива (n-й период следования сигналов ЭМИ);

V_н - скорость падения нагрузки на исследуемом участке массива, с которой начинается ее увеличение,

судят о критическом состоянии нарушения сплошности исследуемого участка массива, после которого наступает его разрушение.

Одновременная регистрация длительностей Т_i периодов следования сигналов ЭМИ и измерение нагрузки на исследуемый участок массива позволяет не только опосредованно, т.е с помощью сигналов ЭМИ, но и конкретно, с помощью измерения увеличения нагрузки до максимальной, оценивать изменение состояния участка массива. Увеличение нагрузки свидетельствует о том, что участок массива еще в состоянии выдерживать такой уровень нагрузки. Последующее уменьшение длительностей Т_i периодов следования сигналов ЭМИ и начало падения нагрузки свидетельствуют о том, что участок массива уже не может выдерживать такие нагрузки, и происходит начало разрушения этого участка. При этом измеряют скорость V_i падения нагрузки. Последующее уменьшение длительностей T_i периода следования сигналов ЭМИ и одновременное увеличение скорости V _i падения нагрузки свидетельствуют о том, что на участке массива возникает еще большее количество трещин, что предопределяет скорое его разрушение.

Уменьшение длительностей Т _i периодов следования этих колебаний до Т _н наряду с увеличением скорости V_i падения нагрузки от V_н позволяет проследить развитие процесса разрушения, т.е. процесса возникновения еще большего количества трещин, их ветвления и т.д., что позволяет детализировать степень развития процесса нарушения сплошности участка массива и конкретизирует переход с этапа начала нарушения сплошности к этапу развития процесса нарушения сплошности. Далее, регистрация еще большего уменьшения длительностей Т _i периодов следования сигналов ЭМИ до T _(n-1) свидетельствует об увеличении количества трещин, а одновременное увеличение скорости V_i падения нагрузки до V_(n-1) - о том, что массив уже более не способен выдерживать увеличивающуюся на него нагрузку. Оба параметра достигают критических пределов при соотношениях:

Т_n (10³÷10⁴ )Т_н,

V_n (7÷10)V_н,

где Т _n - минимальное значение длительности следования сигналов ЭМИ (n-й период);

Т_н - длительность периода следования сигналов ЭМИ, с которого начинается ее уменьшение;

V_n - максимальное значение скорости падения нагрузки на исследуемом участке массива (n-й период следования сигналов ЭМИ);

V_н - скорость падения нагрузки на исследуемом участке массива, с которой начинается ее увеличение.

Следовательно, размеры фрагментов участка массива, разделенные между собой магистральными и ветвящимися трещинами, также достигают критических пределов, т.е. стадия предразрушения достигает критического этапа. При превышении вышеприведенных соотношений происходит нарушение сплошности участка массива, заключающееся в разделении участка массива на фрагменты. Указанная совокупность признаков дает дополнительную информацию о разрушении участка массива, что позволяет определить более достоверно момент начала разрушения участка массива на фрагменты и таким образом решить поставленную задачу.

Предлагаемый способ реализуют следующим образом. В подземной горной выработке на участке массива, где предполагается проводить горные работы, пробуривают скважину, устанавливают в ней прибор для измерения нагрузки на забой, например гидродатчик, и измеряют величину нагрузки, которую в настоящее время выдерживает участок массива. Пусть величина напряжения равна 12 МПа. Одновременно с этим регистрируют сигналы ЭМИ и измеряют длительности Т_i периодов их следования, по которым судят о состоянии участка массива. Это свидетельствует о том, что трещинообразование происходит достаточно медленно и участок массива находится в равновесном состоянии.

Затем на этом участке массива начинают проходить встречную горную выработку, которая пригружает массив, при этом изменяется его равновесное состояние и величина напряжения увеличивается до 40 МПа, при этом скорость нагружения участка массива составляет 40 МПа/сутки, а периоды следования сигналов, например, возникают через промежуток времени в 1 мин, например, за интервал времени, равный 10 мин. По этому начальному, максимальному, значению длительности Т _н периода следования сигналов ЭМИ и одновременному началу увеличения скорости V_н падения нагрузки участка массива судят о начале нарушения его сплошности.

При дальнейшей проходке встречной горной выработки происходит перераспределение механических напряжений на участке массива, и возникает интенсивное трещинообразование, приближающее исследуемый участок массива к разрушению. При этом скорость V _i падения нагрузки исследуемого участка массива достигает предельного значения, например, 98 МПа/сутки, при этом длительности T_i периодов следования сигналов ЭМИ уменьшаются на порядок, достигая значений Т_i=100 мс по сравнению с начальным значением Т₁=1 мин.

После этого при последующем, еще большем нагружении участка массива в нем возникает еще большее количество различных трещин, в том числе и достаточно малых размеров, которым соответствуют еще большие значения V_i и еще более уменьшающиеся значения Т_i, свидетельствующие о том, что процесс разрушения из стадии начала нарушения сплошности переходит в стадию развития нарушения сплошности. Далее, при последующем, еще большем нагружении участка массива, количество трещин еще более возрастает, и процесс из стадии развития нарушения сплошности приближается к критической. При этом регистрируют начало увеличения скорости V_i падения нагрузки от скорости V_н и уменьшение длительностей Т _i периодов следования сигналов ЭМИ до длительности Т _н. При соотношениях

Т_n (10³÷10⁴ )Т_н,

V_n (7÷10)V_н,

наступает разрушение участка массива, т.е разделение его на фрагменты.

Критическое состояние иллюстрирует достижение конечного, максимального, значения V_n скорости падения нагрузки на участке массива, когда она изменяется на порядок и более по сравнению с начальной скоростью V_н падения, например с 12 МПа/сутки до 110÷120 МПа/сутки, и уменьшение длительности Т_i периода следования сигналов ЭМИ на четыре порядка по сравнению с начальным изменением длительности T _i периода следования сигналов ЭМИ, например с 1 мин до 3÷1 мс за временной интервал, равный 10 мин.

Таким образом, совокупность перечисленных операций позволяет производить более достоверный прогноз разрушения массива горных пород и тем самым решить поставленную задачу.