Результат интеллектуальной деятельности: Способ определения динамики процессов деформирования породы горного массива и устройство для его реализации

Изобретение относится к горному делу и может быть использовано для измерения раскрытия трещин при проведении геомеханического мониторинга с целью оценки напряженно-деформированного состояния массива горных пород, определения ширины раскрытия трещин и динамики их развития.

Известен способ измерения зияния трещин, включающий выбор участка обнаженной поверхности трещиноватого грунтового массива, направлений линий измерения и измерения зияний (раскрытия) трещин перпендикулярно стенкам трещин по выявленным системам трещин различными измерительными устройствами [Нейштадт Л.И. Методы инженерно-геологического изучения трещиноватости горных пород. М.: "Энергия", 1969, стр. 151-153].

Данный способ позволяет исследовать горный массив только на поверхностях обнажений. Недостатком также является низкая точность и ограниченность области измерений.

Известен способ измерения ширины раскрытия трещин в массиве, основанный на сравнении электрических параметров трещиноватых и нетрещиноватых участков массива горных пород, при этом измеряют диэлектрическую проницаемость массива пород путем пропускания переменного электрического тока между электродами, помещенными в скважины, пробуренные на равных расстояниях одна от другой, и разность фаз при прохождении электрического тока через трещиноватый и нетрещиноватый участки массива, по которой судят о ширине раскрытия трещин в массиве [Авторское свидетельство СССР №1102948, М.Кл. Е21С 39/00, от 21.12.1982].

Недостатками данного способа являются сложность его осуществления, недостаточная точность и сложность интерпретации результатов измерений.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является способ измерения зияний трещин, заключающийся в выборе участка обнаженной поверхности трещиноватого грунтового массива, направлении линий измерения и измерении зияний (раскрытия) трещин перпендикулярно стенкам трещин по выявленным системам трещин различными измерительными устройствами. При этом при выборе участка измерений зияния трещин в грунтовом массиве определяют его структурное положение в общей иерархической системе раздробленности земной коры и область, на которую распространяют полученные результаты измерений, непосредственно перед измерениями естественную поверхность обнажения подвергают механической зачистке с оборкой, водной или воздушной обработкой, очищая трещины от загрязняющего заполнителя, выбирают несколько параллельных линий измерений вкрест простирания трещин по выявленным системам с учетом их изменчивости, а измерения зияний выполняют съемными клиновидными щупами, в том числе усеченным, с углом 5°, шириной по простиранию 2 см и с шипом, одной скошенной плоскостью клина, на которой расположена шкала с ценой деления 1 мм, соответствующей 0,1 мм зияния трещины, и магнитом и другой плоскостью, перпендикулярной боковому торцу корпуса, оборудованного рукояткой и пазом под шип съемного щупа [Патент РФ №2165592, М.Кл. G01B 3/30, E02D 1/00, от 02.07.1998 (прототип)].

Недостатком данного способа является ограниченность его применения и невозможность измерения раскрытия трещин непосредственно в массиве горных пород.

Технической задачей изобретения является повышение точности и оперативности регионального и локального прогноза трещиноватости массива горных пород при оценке напряженно-деформированного состояния массива горных пород.

Указанная цель достигается путем бурения скважин и шпуров в подземных горных выработках, обследования скважины с применением закрепленных на направляющей наборной штанге видеоэндоскопа с перспективной линейкой и съемного измерительного зонда, выполненного в виде щупов с различными шагами и диаметрами измерительных ступеней, фиксацией местоположения в скважине трещин и введением выбранного измерительного щупа с выбранным шагом и диаметром измерительных ступеней в устье измеряемых трещин и по количеству ступеней щупа, вошедших в трещину, определяют ширину и глубину ее раскрытия, а при проведении следующих циклов измерений определяют изменения ширины раскрытия трещин, что свидетельствует о динамике процессов деформирования породного массива.

В устройство, реализующее данный способ, дополнительно введена наборная штанга, выполненная с возможностью наращивания по длине скважины, видеоэндоскоп, прикрепленный к штанге, и металлический съемный измерительный щуп, выполненный в виде съемного конуса с монтажным отверстием для крепления к направляющей штанге, при этом измерительные ступени щупа выполнены нарезными с шагом по оси щупа от h=0.5 мм и более, и диаметром ступеней щупа по возрастающей от d=1 мм до величины измеряемой трещины. При этом для измерений трещин разной ширины и глубины измерительные щупы выполняют в виде съемных конусов с отверстием и измерительными нарезными ступенями с разным шагом h и диаметром d и помещают их в отдельную кассету.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на Фиг. 1 и Фиг. 2 показано устройство измерительного щупа для измерения ширины раскрытия трещин, на Фиг. 3 показана фотография устройства в рабочем состоянии, на Фиг. 4 приведена фотография измерения в скважине металлическим съемным измерительным щупом, выполненная видеоэндоскопом, прикрепленным к штанге, на Фиг. 5 показан видеоэндоскоп с перспективной линейкой, установленный на конце измерительной наборной штанги.

Устройство содержит металлический измерительный щуп, выполненный в виде конуса -1 (конус-щуп), в конус-щупе - 1 выполнены монтажное отверстие - 2 для крепления к наборной измерительной штанге и измерительные нарезные ступени - 3 (ступени). Измерительная наборная штанга - 4 (штанга) выполнена в виде набора штанг - 4 с элементами сочленения друг с другом. Измерительные нарезные ступени - 3 конус-щупа - 1 выполнены с шагом по его оси по возрастанию от h=0.5 мм и с диаметрами ступеней - 3 от d=1 мм по ширине измеряемых трещин. Количество измерительных конус-щупов - 1 зависит от трещиноватости изучаемого массива горных пород и разнообразия трещин по ширине и глубине, при этом сами щупы помещаются в кассету (на чертежах не показана). На конце измерительной наборной штанги - 4 установлен видеоэндоскоп - 5, а на расстоянии широкоугольного визуального угла захвата (видеозрения) видеоэндоскопа - 5 прикреплена перспективная линейка - 6.

Способ реализуется следующим образом.

При ведении горных работ в массивах с признаками действия высоких тектонических напряжений для оценки напряженно-деформированного состояния в горных выработках бурятся шпуры или скважины вглубь массива. В скважину вводят измерительную наборную штангу - 4 с закрепленными на ее конце видеоэндоскопом - 5 и перспективной линейкой - 6, укрепленной на расстоянии широкоугольного визуального угла захвата видеозрения видеоэндоскопа – 5, позволяющего осуществлять точную фото- или видеофиксацию положения трещин по глубине скважины и приблизительную ее ширину. Местоположение обнаруженных в скважине трещин фиксируют по длине штанги - 4, а видеоэндоскопом - 5 и перспективной линейкой - 6 определяют их приблизительную ширину, что и фиксируют в журнале наблюдений. Трещины классифицируют по их ширине и для каждого класса подбирают из кассеты измерительный конус-щуп - 1 с определенным шагом измерительных нарезных ступеней - 3 и их диаметром. Измерительный конус-щуп - 1, закрепленный на штанге - 4, устанавливают в устье измеряемой трещины (Фиг. 3, 4) и по диаметру ступеней - 3 и их количеству, по глубине поместившихся в трещине (для контроля), определяют ширину и глубину ее раскрытия.

Таким образом, путем бурения скважин и шпуров в подземных горных выработках обследуют скважины, применяя закрепленные на штанге - 4 видеоэндоскоп - 5 с перспективной линейкой - 6, фиксируют местоположения трещин в скважине и классифицируют их, а введением измерительного конус-щупа - 1 в устье этих трещин, по количеству ступеней щупа, введенных в трещину, определяют ширину и глубину ее раскрытия. Далее проводят повторные циклы измерений по ранее измеренным трещинам и по изменениям ширины их раскрытия определяют динамику процессов деформирования породы горного массива.

Так как трещины растяжения образуются в плоскостях, по направлению действия максимальных главных напряжений, то по результатам измерений составляют планы картирования измеренных трещин в массиве, и регистрируются процессы раскрытия трещин (увеличение зияния).

Каждый последующий цикл измерений позволяет оценивать изменение ширины раскрытия трещин, что свидетельствует о динамике процессов деформирования породного массива при ведении горных работ и позволяет прогнозировать геомеханические процессы для данных условий.

Устройство работает следующим образом.

Для оценки напряженно-деформированного состояния в горных выработках бурятся скважины (или шпуры) вглубь массива. В скважину вводят наборную штангу - 4, выполненную с возможностью наращивания по длине, с прикрепленными на конце видеоэндоскопом - 5 и перспективной линейкой – 6, укрепленной на расстоянии широкоугольного визуального угла захвата видеозрения видеоэндоскопа - 5. Производят фото- или видеофиксацию положения трещин по глубине скважины по количеству и длине набора штанг. Приблизительную ширину трещин определяют видеофиксацией по перспективной линейке - 6. Полученные результаты фиксируют в журнале наблюдений. Трещины классифицируют по их ширине и для каждого класса подбирают из кассеты измерительный конус-щуп - 1 с определенным шагом измерительных нарезных ступеней - 3 и их диаметром. Конус-щуп - 1 закрепляют на конце штанги - 4, устанавливают в устье измеряемых трещин и по диаметру ступеней - 3 и количеству, поместившихся в трещине по глубине (для контроля), определяют ширину и глубину ее раскрытия. При выборе конус-щупа - 1 учитывается шаг ступеней - 3 по его оси по возрастанию от h=0.5 мм и с диаметрами ступеней - 3 от d=1 мм с учетом ширины измеряемых трещин, определяя ширину раскрытия трещин и динамику их развития.

Для измерений трещин с различной шириной и глубиной измерительные конус-щупы - 1 выполняют в виде набора съемных конусов (конус-щупов - 1) со ступенями - 3 с разным шагом h и диаметром d и помещают в отдельную кассету.

Таким образом, способ и устройство, его реализующее, позволяют оперативно оценивать напряженно-деформированное состояние внутри массива горных пород на участках большой протяженности и объемов, прогнозировать и контролировать развитие геомеханических процессов при освоении недр путем определения ширины раскрытия трещин и динамики их развития.