способ определения механической устойчивости массива горных пород
Классы МПК: | G01V9/00 Разведка или обнаружение способами, не отнесенными к группам 1/00 |
Автор(ы): | Спивак Александр Александрович, Спунгин Вадим Геннадьевич |
Патентообладатель(и): | Спивак Александр Александрович, Спунгин Вадим Геннадьевич |
Приоритеты: |
подача заявки:
1995-05-12 публикация патента:
10.04.1997 |
Использование: для определения степени механической устойчивости массивов горных пород при выборе мест строительства, проектировании, а также в процессе эксплуатации наземных и подземных сооружений повышенного риска (атомные реакторы, захоронения радиоактивных и промышленных отходов и т.п.) с целью их защиты от разрушения в результате динамических процессов, протекающих в земной коре. Сущность изобретения: способ включает расстановку сейсмоприемников на исследуемом массиве горных пород и периодическую регистрацию микросейсмических колебаний не менее чем одним трехкомпонентным и не менее чем двумя однокомпонентными сейсмодатчиками. При обработке полученных результатов выбирают удовлетворяющие критериям случайности исследуемого процесса и характеризующиеся наличием фоновых микроколебаний, импульсных колебаний волнового типа (ИКВТ) и цугов ИКВТ участки сейсмической записи, для которых строят графики зависимости изменения их амплитудно-частотных характеристик от времени, дополнительно определяют сейсмическую энергию ИКВТ, размеры блока, вызвавшего данное сейсмическое излучение, величину сбрасываемых в результате излучения напряжений и координаты очагов ИКВТ, для дополнительно определенных параметров также строят графики зависимости их изменения от времени, по полученным графикам определяют значение целевой функции как сумму вариаций всех определенных параметров, причем в качестве весовых коэффициентов целевой функции выбирают величины, равные обратному значению дисперсии каждого определенного параметра, а о механически устойчивом состоянии исследуемого массива судят, если разность средних значений целевой функции, определенных для периодов, равных одному году и одному месяцу, не превышает трех дисперсий вариации ее значений, определенных в течение года. 4 ил.
Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4
Формула изобретения
Способ определения механической устойчивости массива горных пород, включающий расстановку сейсмоприемников на исследуемом массиве горных пород, регистрацию сейсмических колебаний, обработку полученных данных, по результатам которой судят о состоянии массива горных пород, отличающийся тем, что регистрацию и запись микросейсмических колебаний проводят периодически не менее чем одним трехкомпонентным и не менее чем двумя однокомпонентными сейсмодатчиками, выбирают удовлетворяющие критериям случайности исследуемого процесса и характеризующиеся наличием фоновых микроколебаний импульсных колебаний волнового типа (ИКВТ) и цугов ИКВТ участки сейсмической записи, для которых строят графики зависимости изменения их амплитудно-частотных характеристик от времени, дополнительно определяют сейсмическую энергию ИКВТ, размеры блока, вызвавшего данное сейсмическое излучение, величину сбрасываемых в результате излучения напряжений и координаты очагов ИКВТ, для дополнительно определенных параметров также строят графики зависимости их изменения от времени, по полученным графикам определяют значение целевой функции как сумму вариаций всех определенных параметров, причем в качестве весовых коэффициентов целевой функции выбирают величины, равные обратному значению дисперсии каждого определенного параметра, а о механически устойчивом состоянии исследуемого массива судят, если разность средних значений целевой функции, определенных для периодов, равных одному году и одному месяцу, не превышает трех дисперсий вариации ее значений, определенных в течение года.Описание изобретения к патенту
Изобретение относится к геологии и может быть использовано при определении степени механической устойчивости массивов горных пород при выборе мест строительства, проектировании, а также в процессе эксплуатации наземных и подземных сооружений повышенного риска (атомные реакторы, захоронения радиоактивных и промышленных отходов и т.п.) с целью их защиты от разрушения в результате динамических процессов, протекающих в земной коре. Известен способ контроля механического состояния горного массива (1), в котором для получения пространственных и временных характеристик волновых полей проводят инструментальные наблюдения за микроколебаниями геофизической среды с использованием малоапертурных сетей сейсмической регистрации. Наиболее близким аналогом (прототипом) изобретению является способ контроля состояния тектонически нарушенного массива (2), включающий расстановку сейсмоприемников на исследуемом массиве, последующую регистрацию сейсмических колебаний и обработку полученных результатов, по которым судят о тектоническом состоянии массива горных пород. Недостатком прототипа является низкая достоверность способа, т.к. в нем не учитывается изменение во времени параметров, характеризующих тектоническое состояние массива. Техническим результатом, достигаемым при реализации заявленного способа, является повышение надежности контроля напряженного состояния массива горных пород, что приводит к повышению безопасности при эксплуатации подземных сооружений, предназначенных для захоронения промышленных отходов, в том числе радиоактивных. Технический результат достигается за счет того, что в известном способе, включающем расстановку сейсмоприемников на исследуемом массиве горных пород, регистрацию сейсмических колебаний, обработку полученных данных, по результатам которой судят о состоянии массива горных пород, регистрацию и запись микросейсмических колебаний проводят периодически не менее чем одним трехкомпонентным и не менее чем двумя однокомпонентными сейсмодатчиками, выбирают удовлетворяющие критериям случайности исследуемого процесса и характеризующиеся наличием фоновых микроколебаний, импульсных колебаний волнового типа (ИКВТ) и цугов ИКВТ участки сейсмической записи, для которых строят графики зависимости изменения их амплитудно-частотных характеристик от времени, дополнительно определяют сейсмическую энергию ИКВТ, размеры блока, вызвавшего данное сейсмическое излучение, величину сбрасываемых в результате излучения напряжений и координаты очагов ИКВТ, для дополнительно определенных параметров также строят графики зависимости их изменения от времени, по полученным графикам определяют значение целевой функции как сумму вариаций всех определенных параметров, причем в качестве весовых коэффициентов целевой функции выбирают величины, равные обратному значению дисперсии каждого определенного параметра, а о механически устойчивом состоянии исследуемого массива судят, если разность средних значений целевой функции, определенных для периодов, равных одному году и одному месяцу, не превышает трех дисперсий вариации ее значений, определенных в течение года. Наличие естественной иерархической структуры в земной коре, обусловленной блочным строением и наличием поверхностей и зон пониженной прочности (трещины, разломы разных размеров), определяет сложные деформационный процессы, происходящие в массивах горных пород вследствие как естественных геофизических процессов (включая кратковременные локальные возмущения, вызванные, например, приливными явлениями, циклонической деятельности, землетрясениями и т. д. ), так и в результате техногенного воздействия (крупномасштабные взрывы, вибрации от вращения роторов электростанций, добыча полезных ископаемых, закачка жидких отходов и пр.). Изменение напряженно-деформированного состояния горных пород, нарушение "привычного" режима его деформирования при ярко выраженной пространственной неоднородности, а также нарушение хода релаксационных процессов (поддерживающих состояние устойчивого динамического равновесия среды в естественных условиях) в результате внешних воздействий могут служить причиной потери механической устойчивости массива горных пород и размещенных в нем сооружений. Важнейшим следствием внешних возмущений и прямого воздействия на массив горных пород является перераспределение энергии в результате нарушения хода энергообменных процессов, сформировавшихся в результате естественного эволюционного развития среды. В свою очередь, это влечет за счет концентрацию энергии на отдельных участках среды, в результате чего происходит изменение релаксационного режима. Отклонение от привычного для массива горных пород хода релаксационных процессов, характерного для данного времени года, суток и атмосферных условий, является индикатором нарушения динамически устойчивого состояния среды. Одним из способов экспериментального изучения и контроля режимов и интенсивности релаксационных процессов, происходящих в массиве горных пород, является регистрация микросейсмических колебаний. Основными объектами регистрации и дальнейшей обработки и анализа в заявленном способе являются фоновые микроколебания и импульсные колебания волнового типа (ИКВТ) местного происхождения кратковременные колебания с амплитудой, превышающей фоновую, характеризующиеся наличием фиксируемого в пространстве источника. При определении механической устойчивости массива горных пород анализу подлежат слабые микросейсмические проявления (амплитуда ИКВТ на участках, характеризующихся низким уровнем тектонических напряжений и малой подвижностью структурных блоков, может не превышать 2 5 амплитуд фоновых колебаний). Такие проявления содержат информацию о среде в пределах небольших расстояний (1 10 км), что и определяет локальность предложенного способа определения механической устойчивости массива горных пород. Реализация способа определения механической устойчивости массива горных пород осуществляется следующим образом. 1) В районе исследуемого участка разворачивается малоапертурная сеть сейсмических пунктов регистрации, которая осуществляется с использованием не менее одного трехкомпонентного и не менее двух однокомпонентных сейсмодатчиков. 2) Проводится регистрация микроколебаний среды в соответствии с выбранным режимом. Режим выбирается на основе предварительных исследований. Например, для массивов скальных пород достаточно проводить регистрацию временными интервалами длительностью 15 мин каждые 2 ч. 3) Проводится проверка качества сейсмической записи на основе оценки величины ее постоянной составляющей (среднее значение амплитуды колебаний) и отношения среднеквадратичной амплитуды к среднему модулю (в окне шириной 1 3 мин). Для последующей обработки отбираются участки записи, удовлетворяющие критериям случайности исследуемого процесса. 4) На основе анализа дисперсионных характеристик амплитуды колебаний и вычисления отношений дисперсий в узком (до 0,1 с) и широком (1 5 с) временных окнах в разных частотных интервалах выбираются участки сейсмической записи, характеризующиеся наличием:а) фоновых микроколебаний,
б) содержащие ИКВТ,
в) содержащие цуги (пакет) ИКВТ. 5) Проводится обработка и анализ фоновых микроколебаний в соответствии с алгоритмом:
а) определяются среднеквадратичная амплитуда и спектральная плотность мощности колебаний (набор частот соответствующих максимумам спектра мощности и относительная спектральная амплитуда каждой квазигармонической составляющей) в выбранных временных окнах (5 15 мин);
б) из исходной записи с помощью полосового фильтра высокой добротности вырезаются квазигармонические составляющие колебаний (центральные частоты фильтров);
в) выделяются случайная и детерминированная часть колебаний на основе анализа траектории движения частиц среды в квазигармонических составляющих;
г) строятся графики зависимости амплитудно-частотных параметров случайной составляющей колебаний от времени (суточные, сезонные и т.д.). 6) Проводится обработка и анализ ИКВТ и цугов ИКВТ в соответствии с алгоритмом:
а) определяются основные характеристики импульсов (амплитуда, длительность, преобладающий период);
б) определяется сейсмическая энергия ИКВТ;
в) определяются размеры блока, вызвавшего сейсмическое излучение, приведшее к появлению ИКВТ;
г) определяется величина сбрасываемых в результате излучения напряжений;
д) определяются координаты очагов ИКВТ;
е) строятся графики зависимости всех рассчитанных для ИКВТ параметров от времени (суточные, сезонные т.д.). 7) По полученным графикам определяют значение целевой функции
![способ определения механической устойчивости массива горных пород, патент № 2077067](/images/patents/395/2077067/2077067-2t.gif)
где Yijkl статистически значимые аномально высокие отклонения вычисленных параметров микросейсмических колебаний;
Y*ijkl их статистически характерные значения;
i индекс определяет конкретное ИКВТ;
j индекс определяет параметр ИКВТ;
k конкретный интервал времени суток;
l месяц, в который проводится контроль;
![способ определения механической устойчивости массива горных пород, патент № 2077067](/images/patents/395/2077019/946.gif)
Способ был опробован при оценке механической устойчивости массивов горных пород при ряде подземных ядерных взрывов на Семипалатинском испытательном полигоне (1981 1989 гг.), при контроле склоновых явлений в Южных Альпах (1990 1991 гг.), при закачке жидких отходов промышленности в Димитровграде (1991 1993 гг.), а также при выборе мест строительства объектов атомной энергетики на Кольском полуострове (1993 1994 гг.). На фиг. 1 представлена схема тектонических нарушений разного иерархического ранга, пункты сейсмической регистрации и пространственное распределение очагов ИКВТ трех энергетических классов для одного из районов Южных Альп (коммуна Грозио провинции Сондрио, Северная Италия). На фиг. 2 приведен пример записи фоновой составляющей микросейсмических колебаний (а) и ИКВТ (б) в пункте 1. На фиг. 3 показано разделение случайной (а) и детерминированной (б) составляющих микроколебаний с помощью анализа траектории движения частиц среды. На фиг. 4 представлены графики изменения целевой функции со временем (в течение 60 дней) для трех массивов горных пород, обозначенных на фиг. 1. Из фиг. 4 видно, что среднее значение целевой функции для участка 2 в течение месяца составляет 0,003. За двенадцать месяцев измерений среднее значение целевой функции на этом участке составило 0,055 при величине ее дисперсии 0,007. Разность средних значений целевой функции, определенной в течение года и в течение месяца, составляет 0,052, что превышает дисперсию целевой функции, определенной в течение года более чем в три раза. Следовательно, можно сделать вывод о том, что участок 2 нельзя считать механически устойчивым. В то время как участки 1 и 3 следует отнести к механически устойчивым, т.к. среднее значение целевой функции, определенное за двенадцать месяцев, для данных участков практически совпадает со значением, определенным за период, равный одному месяцу.
Класс G01V9/00 Разведка или обнаружение способами, не отнесенными к группам 1/00