Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Обоснование и разработка каротажного электроемкостного метода оценки структуры углепородного массива в окрестностях горных выработок

ВАК РФ 25.00.16, Горнопромышленная и нефтегазопромысловая геология, геофизика, маркшейдерское дело и геометрия недр

Автореферат диссертации по теме "Обоснование и разработка каротажного электроемкостного метода оценки структуры углепородного массива в окрестностях горных выработок"

.ЛКЬ22 о? - 550 37

ОБОСНОВАН!ÍT ИГ\ЗРЛКОТК-\ '.Г Г» ? Л."ШОГО ЭЛ1~КТРОГuíCOC'Iного мгте.г оценки СТГУКТУРЬ' У\ .'НЕПОРОДНОГО ' 4 CCI IF А в OKPECT'ÏOC ГЯ\ Í ОРНЫХ В Mi r Vi OK

Специальность25 00 ¡6 -Торнопрэпышленнг н i<" ]¡, гг^рромыерэ:'^ геология, геофнл ' а, мар^шейдер^кск ли' * > nv^ недр"

Aäü opcytpm дгсссрт.'лч'.з на соиекгднгс>cic.'ctr'

к us тс* ¡ \

МОСКНЛ 21107

Работа выполнена в Московском государственном I орном университете

Научный руковол'чсл!.

доктор технических нау:,, профессор Шкурлтннк Владимир Лазаревич

доктор технических наук, ггрофессор Молев Михаил Дмитриевич кандидат технических наук, доцент Дудченко Олег Львович

Институт проблем комплексного освоения недр РАН (ИПКОН РАН)

/

Защита диссертации состоится « / ^ » мая 2007г в час на заседании диссертационного совета Д-212 128 04 в

Московском государственном горном университете по адресу 119991, г Москва, Ленинский проспект 6

С диссертацией моэлю озьаг омиться в библиотеке университета А в I о р е ф е р а г разослан « ^ '_>> апреля 2 0 0 7 г

Официальные оппоненты:

Ведуш организации-

Ученый секретарь диссертационного совета / профессор, доктор технических наук

/

/

Бубис Ю В

Общая характеристика работы Актуальность работы. Прогноз и поддержание устойчивости горных выработок различного назначения на стадиях их строительства и эксплуатации являются наиболее важными и сложными задачами геомеханического обеспечения добычи угля подземным способом Решение этих задач требует, в частности, надежной и оперативной информации о структурных особенностях и нарушенности массива в окрестностях выработанного пространства Получение указанной информации возможно на основе каротажных и межскважинных геофизических измерений, осуществляемых непосредственно из подлежащих контролю выработок Наиболее распространенными видами таких измерений в настоящее время являются акустические и электрические измерения Однако последние не лишены серьезных недостатков, таких как низкие производительность, помехозащищенность и разрешающая способность, а также сложность однозначной интерпретации получаемых результатов Во многом избежать этих недостатков возможно путем использования в структурной диагностике приконтурного массива многопараметрового электроемкостного метода Реализуемый в режиме бесконтактного каротажа, этот метод предполагает создание с помощью емкостного зонда электрического поля на локальных участках массива вокруг контрольной скважины и определение искомых характеристик этих участков по вызванной ими обратной реакции на источник поля Имеющийся на сегодня незначительный опыт использования скважинных электроемкостных измерений в геоконтроле свидетельствует о Егесоответствии их потенциальных возможностей уровню практической реализации, что связано с нерешенностью ряда проблем, прежде всего, методического и аппаратурного характера Сказанное определяет актуальность проведения теоретических и экспериментальных исследований, направленных на повышение информационной и технологической эффективности каротажного электроемкостного метода геолого-структурной диагностики углепородного массива в окрестностях горных выработок

Цель диссертации заключается в установлении взаимосвязей между характеристиками геологической среды, отражающими ее структурную

неоднородность, и информативными параметрами электроемкостных бесконтактных каротажных измерений, обосновании на этой основе метода структурной диагностики и нарушенное™ углепородного массива в окрестностях выработок, а также в разработке принципов построения аппаратуры для реализации этого метода

Идея работы состоит в использовании бесконтактных каротажных электроемкостных измерений составляющих комплексной проводимости геологической среды в окрестностях выработок для оценки строения и структурных неоднородностей этой среды

Основные научные положения, выносимые на защиту:

1 Математическое моделирование осесимметричных электрических полей методом конечных элементов п последующие численные расчеты с использованием программы "ьЬСиТ" позволяют установить закономерности влияния различных структурных неоднородностей приконтурного массива на величину емкости между потенциальным и токовым электродами каротажного электроемкостного зонда, а использование этих закономерностей для интерпретации результатов скважинных электроемкостных измерений позволяет выявить и идентифицировать такие неоднородности, как литологические границы, трещины, нарушенные и обводненные зоны и др

2 Для обеспечения высокой точности и надежности выявления и идентификации структурных неоднородностей в приконтурном массиве каротажным электроемкостным методом необходимо измерять как минимум два информативных параметра контроля — активную и реактивную составляющие проводимости на заданной частоте, по значениям которых могут быть оценены также такие информативные параметры, как межэлектродная емкость скважинного зонда, диэлектрическая проницаемость, тангенс угла диэлектрических потерь и удельная электрическая проводимость исследуемой среды

3. Основными помеховыми факторами при проведении скважинных электроемкостных измерений являются паразитные токи, протекающие по загрязненной поверхности зонда, а также изменение зазора между

поверхностями зонда и контрольного шпура Уменьшение влияния первого из указанных факторов достигается за счет смещения зоны максимальной чувствительности вглубь исследуемой геосреды путем введения между токовым и потенциальным электродами охранных колец, напряжение на которых эквипотенциально токовым электродам Уменьшение влияния второго фактора достигается применением конструктивных мер стабилизации зазора и внесением поправок в результаты измерении на основе полученных в работе зависимостей чувствительности электроемкостной измерительной системы от величины зазора

4 Основные принципы построения аппаратуры электроемкостного каротажа углепородного массива в окрестностях выработок определяются требованием обеспечения указанной аппаратурой формирования потенциалов на дополнительных электродах зонда, обеспечивающих нейтрализацию поверхностной проводимости последнего; независимой оценки составляющих комплексной электропроводности изучаемой геосреды на основе использования трансформаторных измерительных цепей и квадратурного синхронного детектирования сигнала, непрерывного измерения емкости между досылочной штангой и стенками контрольного шпура, значение которой, с учетом фиксируемых зондом изменений электрических свойств указанных стенок, позволяет определять глубину погружения зонда в приконтурный массив

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается

1 Качественным совпадением зависимостей изменения информативных параметров электроемкостного контроля при структурной диагностике массива, полученных в результате численного моделирования и экспериментальных исследований на моделях и в натурных условиях

2 Удовлетворительной сходимостью (с погрешностью, не превышающей нескольких %) результатов определения границ структурных неоднородностей, установленных по результатам электроемкостных измерений и традиционно используемых геологических и геофизических методов контроля

3 Хорошей воспроизводимостью установленных взаимосвязей информативных параметров электроемкостного метода контроля с искомыми структурными неоднородностями массива при многократных измерениях в лабораторных и натурных условиях

4 Использованием при проведении экспериментов аппаратурного обеспечения, обладающего высокими метрологическими характеристиками

Научная новизна работы заключается:

• в обосновании возможности использования математического моделирования осесимметричных электрических полей методом конечных элементов на основе компьютерной программы "ЕЬСЦТ" для выявления закономерностей изменения информативных параметров электроемкостного каротажа в функции от различных типов структурных неоднородностей,

® в выявлении характера аномалий каротажных кривых электроемкостного контроля, соответствующих различным типам структурных неоднородностей,

• в установлении причин и закономерностей влияния на рез>льтаты электроемкостного каротажа массива горных пород в окрестностях выработок таких помеховых факторов, как паразитные токи, протекающие по поверхности зонда, наличие и нестабильность зазора между поверхностью последнего и стенками контрольных шпуров,

• в обосновании и разработке принципов построения аппаратуры для реализации электроемкостных каротажных измерений в окрестностях горных выработок

Научное значение работы заключается в установлении закономерностей влияния различных типов структурных неоднородностей в массиве горных пород в окрестностях горных выработок на информативные параметры электроемкостного скважинного метода контроля, а также влияния на характеристики последнего помеховых факторов различной физической природы

Практическая ценность работы заключается в разработке электроемкостного многопараметрового метода контроля структурной диагности-

ки массива в окрестностях горных выработок, а также аппаратурного и методического обеспечения его реализации

Реализация результатов работы. Разработанная в результате исследований автора "Методика структурной диагностики углепородного массива в окрестностях горных выработок на основе электроемкостных каротажных измерений" передана в ЗАО "Распадская угольная компания" и рекомендована к практическому использованию на шахтах компании для оценки и прогноза состояния горных выработок в структуре геотехнического мониторинга

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на научных симпозиумах "Неделя горняка" (МГГУ, Москва, 2000, 2002, 2003), на Межвузовском семинаре "Экологическая безопасность и устойчивое развитие" (МГГУ, Москва, 2004), на Научно-практической конференции "Горная геология, геомеханика и маркшейдерия" (Донецк, 2004) Отдельные положения работы были представлены на открытом конкурсе на лучшую научную работу студентов вузов РФ (Москва, 2003), где были отмечены медалью "За лучшую научную студенческую работу", на Всероссийской выставке-ярмарке научно-исследовательских работ и инновационной деятельности студентов, аспирантов и молодых ученых высших учебных заведений РФ (Новочеркасск, 2003), а также на IX Международной выставке молодежных научно-технических проектов ЭКСПО-Наука (Москва, 2003), где были отмечены дипломами

Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 научных работ, в том числе 3 в изданиях, рекомендованных ВАК РФ

Структура п объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения, содержит 50 рисунков, 2 таблицы, список литературы из 72 наименований

Автор выражает благодарность своему научному руководителю проф, дти Шкуратнику В Л за полезные консультации при постановке и проведении исследований

Основное содержание работы Первая глава диссертации посвящена анализу современного состояния проблемы диагностики и поддержания устойчивости горных выработок Дана характеристика основных факторов, влияющих на устойчивость выработок различного назначения в углепородном массиве При этом особое внимание уделено такому фактору, как структурная неоднородность приконтурного массива, проявляющаяся в виде межслоевых контактов, разномасштабных трещин с различными видами заполнителей, прослоек пород с аномальными физико-механическими свойствами, разуплотненных и обводненных зон, твердых включений и др Проанализированы достоинства и недостатки методов горной геофизики, применяемых для геолого-структурной диагностики приконтурного массива В результате были сделаны выводы о перспективности использования для указанной диагностики бесконтактных электроемкостных каротажных измерений Последние предполагают введение в скважину емкостного зонда, создающего в определенном участке окружающего массива электрическое поле, и определение искомых характеристик этого участка по вызванной им обратной реакции на источник поля В то же время было отмечено, что имевшие место на сегодняшний день единичные попытки практического использования скважинных электроемкостных измерений для структурной диагностики приконтурного массива пока не оправдали возлагаемых на них надежд Указанные измерения ограничивались использованием диэлектрической проницаемости среды в качестве информативного параметра контроля и не учитывали влияние на результаты последнего помеховых факторов различной физической природы, что наряду с несовершенством соответствующего аппаратурного обеспечения обусловливало относительно низкую эффективность электроемкостного метода горной геофизики На основе материалов первой главы были с формулированы приведенная выше цель, а также следующие задачи исследований

- установление на основе численного и физического моделирования взаимосвязей между различными типами структурных неоднородно-

стей массива в окрестностях горных выработок и информативными параметрами электроемкостных каротажных измерений,

- выявление закономерностей влияния помеховых факторов на результаты каротажных электроемкостных измерений в приконтурном массиве и обоснование способов уменьшения указанного влияния,

- обоснование технических требований к аппаратуре для реализации многонараметровых бесконтактных электроемкостных измерений в скважинах малого диаметра и разработка принципов построения этой аппаратуры,

- обоснование и разработка методического обеспечения геолого-структурной диагностики углепородного массива в окрестностях выработок на основе каротажных измерений,

- экспериментальная оценка возможностей и характеристик каротажного электроемкостного метода геоконтроля и аппаратуры для его реализации в натурных условиях

Основными предпосылками для решения указанных задач явились результаты теоретических и экспериментальных геофизических иссчедо-ваний в области структурной диагностики массива в окрестностях выработок, проводившихся в разные годы такими учеными, как Ватолин Е С, Глушко В Т , Дудченко О Л , Егоров П В , Иванов В В , Касьянов В А , Козырев А А , Мамбетов Ш А , Молев М Д , Опарин В II, Панин В И , Простов С М , Рубан А Д , Савич А И , Тарасов Б Г , Турчанинов И А , Тютюнник П М , Хямяляйнен В А , Шкуратпик В Л , Ямщиков В С и др Вторая глава диссертации посвящена установлению закономерностей распределения создаваемого емкостным зондом электрического поля в приконтурном массиве, а также особенностей обратной реакции зонда на указанное поле в функции от наличия различных типов структурных неод-нородностей в области воздействия эксперимента Соответствующие решения были получены на основе исследования краевой задачи математической физики, описываемой эллиптическими дифференциальными уравнениями в частных производных относительно скалярной или одно-компонентной векторной функции, путем математического моделирования

осесимметричных электрических полей методом конечных элементов с использованием компьютерной программы "ЕЬСиТ". Последняя позволяет в автоматическом режиме разбивать исследуемое пространство на сеть конечных элементов, задавать электрический заряд в блоках, на ребрах и в отдельных вершинах модели, используя методы надстройки - перемещать емкостной зонд вдоль оси г контрольного шпура, а также численно решать осесимметричную электростатическую задачу, описываемую уравнением Пуассона относительно скалярного электрического потенциала и

где компоненты тензора диэлектрической проницаемости ег , вг и плотность распределенного заряда р - постоянные величины в пределах блоков модели, г - текущий радиус

Исследуемые модели представляли собой участки приконтурного массива, на всю глубину каждого из которых пробурен контрольный шпур, в котором перемещался емкостной зонд, содержащий 2 электропроводящих кольца На одном из них (потенциальном) устанавливался потенциал £/2=1В, а на другом (токовом) вычислялся наведенный заряд При этом взаимная емкость между электродами определялась как отношение Сп-Ч^Щ. Далее строились зависимости С12 =/(2) для участков массива, содержащих те или иные виды структурных неоднородностей два контактирующих слоя пород с различными значениями е, трещины с различным раскрывом, заполненные воздухом и водой, включения с аномальными относительно вмещающей среды значениями с Тот факт, что моделирование проводилось относительно величины С,2, не ограничивал о общности метода в части многокомпонентных измерений, поскольку если представить диэлектрическую проницаемость в комплексном виде с = е + ]а>а (где сг- удельная электропроводность), то решение соответствующих задач также будет комплексным При этом каждое решение отражается парой идентичных каротажных кривых, имеющих различный масштаб по оси У Численное моделирование показало, что при приближении зонда к границе между двумя слоями горных пород с различными значениями енаблюда-

(1)

ется резкое увеличение крутизны зависимости С,, = /(2) Причем участок с повышенной крутизной практически линеен, а его середина соответствует глубине литологической границы, которая опредетяется таким образом с относительной погрешностью менее 5%

Следующей задачей моделирования являлось установление закономерностей влияния на характер каротажных кривых С|2 = /(;:)трсщин и расслоений в приконтурном массиве, а также их раскрыва с/и типа заполнителя Указанные закономерности иллюстрируются рис 1 и рис 2

3,20Е-010"] 2,40Е-010 1.60Е-010

!,00Ь-011

О.ООЕ+ООО

, ММ

О 400 450 500 550 600 650 700

Рис 1 Зависимости емкости между потенциальным и токовым элекгродами

емкостного зонда от глубины погружения последнего 7. и углепородный массив с расслоением 1 - трещи на с раскрывом 4 мм, 2-е ра скрывом 10 мм, 3-е раскр ы-вом 20 мч, 4-е раскрывом 40мм

С».Ф

3,20Е-010*1

1

2,40Е-010

I.60E-010

8,00Е-011

0,ООЕ+000

Z, Л1М

0 400 450 500 550 600 650 700

Рис 2 Зависимость емкости зонда от глубины погружения при наличии трещины с раскрывом 40мм, заполненной водой (кривая 1) и воздухом (кривая 2)

На первом из них представлены зависимости Сп = /(г) для массива угля, в котором на глубине 550 мм от контура выработки находятся трещины с раскрывом 4 мм (1), 10 мм (2), 20 мм (3) и 40 мм (4), а на втором - зависимости С]2 = /(г) для расположенных на той же глубине трещин с раскрывом 40 мм, одна из которых заполнена водой (1), а вторая (2) - воздухом Как следует из рис 1 , по мере приближения зонда к трещине и прохождегаи мимо нее на участках АВ, СБ, ЕР и ОН наблюдается отрицательное приращение емкости ДС, седлообразной формы Прямая, проходящая через центры этих участков, соответствует глубине трещин, а величина приращения ДС, при прохождении серединой зонда середины раскрыва трещины определяет величину этого раскрыва с! Причем зависимость ¿ = .Г(ДС) почти линейна и имеет крутизну 5 £0,2 10~'2Ф/м» В свою очередь, из рис 2 следует, что знак дС зависит от соотношения между величинами в заполнителя трещины и вмещающей геосредой, что позволяет однозначно различать такие заполнители, как воздух и вода

С использованием численного моделирования была рассмотрена также задача обнаружения неоднородности с аномальными электрическими свойствами (так называемого "третьего тела") в рабочей области трех вариантов емкостных зондов - традиционного двухэлектродного, трех-электродного и одноэлектродного Трехэлектродный зонд содержит дополнительный электрод, расположенный между потенциальным и токовым электродами и эквипотенциальный последнему На основном электроде одноэлектродного зонда поддерживается стабильный потенциал и на нем же измеряется величина заряда, необходимая для поддержания заданного потенциала

Результаты моделирования показали следующее Двухэлектродный зонд обладает резко ограниченной шириной рабочей зоны и может применяться для исследования электрофизических свойств массива и, соответственно, выявления "третьего тела" в области, непосредственно прилегающей к шпуру (порядка нескольких десятков мм) В то же время этот зонд обладает наибольшей чувствительностью в своем приповерхностном слое, что приводит к искажению результатов измерений при загрязнении по-

10

верхности зонда и, как следствие, возникновению паразитных токов между электродами В трехэлектродном зонде помеховая составляющая тока, текущего вдоль поверхности зонда на токовый электрод, близка к нулю, а зона максимальной чувствительности смещается вглубь массива При этом убывание чувствительности с ростом расстояния К до "третьего тела" в трехэлектродном зонде более слабое, чем в двухэлектродном Что касается одноэлектродного зонда, то, как следует из рис 3, где представлены зависимости Сп = /(Л), он обладает меньшей емкостью (кривая 2) по сравнению с двухэлектродным (кривая 1) и более протяженной в поперечном направлении рабочей зоной, то есть может использоваться для исследования более глубинных относительно контрольного шпура частей массива

С12,Ф

4,00Е-011

3,OOE-Oll 2,00Е-011 1,00Е-011

1—1—'—I—'—I—■—I—•—I—1—I—1—I—'—1—'—I Z, лш -50 0 50 100 150 200 250 300 350 400

Рис 3 Зависимость емкости 1 - двухэлектродного и 2 -одноэлектродного зонда от расстояния R до исследуемого объекта

В заключение второй главы на основе численного моделирования исследовалось помеховое влияние величины зазора L между емкостным зондом и стенкой контрольного шпура При этом учитывалось, что соответствующая измерительная система представляет собой цилиндрический конденсатор, емкость которого зависит от несоосности лишь во втором порядке малости Были получены зависимости Са = /(г) при наличии границы раздела двух сред с е, ф е2, а также зависимости Си = f(s) для различных значений L Анализ указанных зависимостей показал, что величина межэ-

лектродной емкости зонда обратно пропорциональна ширине зазора, причем, чем меньше последний, тем больше крутизна изменения зависимости С,г = /(г) в области раздела сред Степень и характер изменения Сп в функции от величины е зависят от величины зазора Так, при ЬиАХ -10 мм с увеличением е величина С,, падает по экспоненциальному закону, а при Ь<Ь,Ш= 10 мм С,2 сначала возрастает, и только затем падает по тому же закону Причем в области максимума кривых Сп = /{е) увеличение величины I в 2, 4 и 8 раз приводит к уменьшению С,2 примерно в 1,8, в 2,7 и 3,6 раза соответственно, сам же указанный максимум смещается в область более низких значений е приблизительно прямо пропорционально величине воздушного зазора

Третья глава диссертации посвящена лабораторным экспериментальным исследованиям на физических моделях, направленным на проверку результатов математического моделирования Указанные исследования проводились с использованием специально разработанного макетного образца аппаратуры электроемкостного каротажа, включающего емкостной зонд, состоящий из изолированных между собой кольцевых электродов (потенциального и симметричных ему двух защитных и двух токовых), а также электронный блок Последний обеспечивает подачу напряжения амплитудой 2 В на потенциальный электрод, поддержание на защитных электродах напряжения, равного по модулю и фазе напряжению на токовых электродах; измерение активной й и реактивной В составляющих проводимости геосреды на основе применения трансформаторной измерительной цепи с квадратурной фазовой селекцией сигналов

С использованием указанной аппаратуры была проведена проверка эффективности защиты от погрешностей, связанных с поразитными токами на загрязненной поверхности зонда, за счет использования охранных электродов Для этого зонд покрывался полупроводящим покрытием толщиной £ от 0,2 мм до 10 мм из слоев влажной фильтровальной бумаги, а затем измерялись зависимости В = /(5), представленные на рис. 4, где кривая 2 соответствует зонду с охранными электродами, а кривая 1 - без них

Рис 4 Экспериментальные нормированные зависимости реактивной составтяющей этектропроводности от толщины покрытия I - зонд без охранных электродов, 2 - зонд с охранными электродами

Эти зависимости подтверждают эффекты снижения чувствительности зонда с охранными электродами при толщине загрязнения поверхности вплоть до 4 мм, а также отодвигания границ рабочей области вглубь исследуемого массива

Экспериментально проверялись также возможности использования каротажных измерений активной в и реактивной В составляющих электрической проводимости для выявления границ раздела сред Сущность первого из экспериментов заключалась в погружении зонда в емкость, заполненную до определенного уровня холодной, а затем горячей водой При этом исключалось влияние зазора на результаты контроля и, как показали полученные зависимости С = /(Л)и В = /(К), где Л- глубина погружения зонда, обе они позволяют определять границу раздела "воздух-вода" с погрешностью, не превышающей нескольких процентов Причем значения С и В в горячей и холодной воде значительно различаются, что говорит о возможности их использования для выявления даже незначительных изменений электрофизических параметров среды

Проведенные эксперименты показали также, что дальнейшее повышение точности локализации границы раздела двух сред возможно за счет дифференциального включения двух измерительных каналов, токовые электроды которых расположены симметрично относительно потенциаль-

ного электрода Положение границы при этом определяется координатой максимума полученной зависимости ДВ = /(Я), где ДВ- разность реактивных проводимостей, измеренных по каждому из каналов

В рамках исследования влияния зазора на результаты электроемкостного контроля теоретически и экспериментально была рассмотрена задача о степени уменьшения чувствительности измерительной конденсаторной ячейки по сравнению с беззазорной ячейкой. Показано, что указанное уменьшение определяется соотношением

где Си С, - емкости измерительной ячейки частично и полностью заполненной образцом горной породы, соответственно, D- расстояние между электродами ячейки, d- размер образца, е,- диэлектрическая проницаемость воздушного зазора

Были проведены экспериментальные исследования, при которых в ячейку закладывались образцы с различными значениями s и d При этом измерялись величины емкости ячейки, рассчитывались и строились зависимости Е = f[(l)-d)id] при с = var

Полученные результаты показали, что хотя величина погрешности, обусловленная воздушным зазором, может быть достаточно велика, но она принципиально может быть вычислена по предварительно полученным экспериментальным данным и учтена

Для имитации условий каротажных электроемкостных измерений, приближенных к натурным, была изготовлена модель скважины в виде обсадной полиамидной трубы внутренним диаметром 50 мм и длиной 1м, помещенной fia всю глубину выборки в фунте Последняя послойно засыпалась песком (200 мм), каменным углем (200 мм), глиной (100 мм) Затем следовал искусственно образованный воздушный зазор (100 мм) и далее слой почвенного грунта (400 мм) Измерения проводились через каждый сантиметр погружения зонда сначала в сухой, а затем в обводненной (за исключением трещины) слоистой модели В результате для каждой из них были получены каротажные кривые 5 =/(г), G = /(z)и GIB- f(z), анализ

(2)

которых показывает, что принципиально все они позволяют выделить имеющиеся в модели слои. Пустотность наиболее четко выделяется по зависимости О!В - /(г), а обводненность наиболее сильно сказывается на изменении зависимости В - /(г), представленной иг рис 5.

В(д.шк.)

Рис. 5. Изменения реак™вной составляющей проводимости в функции от глубины погружения зонда для обводненной (I) и необводненной(2)среды.

Четвертый глава диссертации посвящена разработке аппаратурного и методического обеспечения структурной диагностики массива в окрестностях выработок на основе электроемкостных измерений, а также проверке работоспособности соответствующего метода геоконтроля в натурных условиях.

Необходимым условием высокой информативности электроемкостного каротажа при контурного массива является возможность измерения соответствующей аппаратурой как минимум двух информативных параметров контроля - активной О и реактивной В составляющих электрической проводимости на круговой частоте т, Эти параметры, в свою очергдь, позволяют определить целый спектр других параметров, наиболее полно отражающих электрофизические свойства геосреды, таких как тангенс угла диэлектрических потерь диэлектрическая проницаемость в, емкость системы электродов С и удельная проводимость <т.

чоВ

(3),

г = В/

'а ■ РЩ

C = c F(l) (5), = ^ (6)

Функция F(l) в (4) и (5) определяется геометрическими характеристиками системы электродов В осесимметричном случае ее расчет с необходимой для практического использования точностью может быть выполнен на основе численного моделирования методом конечных элементов, реализованным, например, в среде "ELCIJT"

Для определения значения F{1) можно использовать также свойство инвариантности функции F{1) по ошошению к г, с учетом которого

F{1) - Ву , где В0 - реактивная проводимость, измеренная используемой

системой элегсгродов в среде с известной диэлектрической проводимостью езг, например в воздухе

Разработанная автором компьютеризированная аппаратура электроемкостного каротажа, построенная с использованием микропроцессорной техники, обеспечивает разделение реактивной и активной составляющих напряжения полезного сигнала с помощью двух синхронных детекторов с квадратурными по фазе опорными напряжениями При эюм емкостной скважинныи зонд, содержащий несколько кольцевых электродов, изолированных друг от друга, совместно с резонансным трансформаторным измерительным мостом образует эффективный преобразователь "электрофизические параметры среды — переменное напряжение" и обладает свойством раздельного измерения параметров в и G Аппаратура, изготовленная в пылевлагозашищенном исполнении, имеет спедующие основные техниче-

ские характеристики

- рабочая частота инициирующего сигнала, кГц 22

- амплитуда инициирующего сигнала, В 0,1-5

- количество основных измерительных каналов, ш г , 2

- диапазон измерения составляющих

проводимости О и В ,См . 0-0,01

- диаметр исследуемых скважин, мм 38-42

- максимальная глубина исследуемых скважин, м

- время одного измерения, е.. . . .

- напряжение автономного питания, В

. 6

6

- потребляемая мощность автономного источника питания, Вт 0,1 Аппаратура предусматривает возможность использования двух вариантов автоматического получения информации о глубине погружения зонда в шпур. В соответствии с первым из них на подающую штангу зонда наносятся метки в виде запрессованных стержней из ферромагнитного материала При пересечении указанными метками устья шпура, в котором расположено устройство считывания в виде пары датчиков Холла, вырабатываются сигналы, пропорциональные числу меток и несущие информацию о глубине и направлении перемещения зонда

Второй, более оперативный и достаточно точный способ предполагает определение координат зонда на основе непрерывного измерения емкости между металлической подающей штангой и стенками шпура В рамках обоснования этого способа было получено аналитическое соотношение, относительной погрешности 0 измерения глубины погружения зонда I в функции радиуса К2 штанги при различных значениях смещения а между ее осью и осью шпура радиусом Л,

где Л = (Д,2 + Д2 -а2)/Я, Л2

Построенные в соответствии с (7) зависимости для Л |= 21 мм и I = 1 м при а = 1 мм (1), а = 2,5 мм (2), а = 5 мм (3) и а = 10 мм (4) представлены на рис 6

Из них следует, что погрешность измерения величины ¿, хотя и увеличивается с ростом , но в любом случае не превышает 0,4 % вплоть до смещений а, составляющих около 80 % от радиуса шпура

С использованием описанной выше аппаратуры были проведены экспериментальные исследования по структурной диагностике углепород-ного масыгва в окрестностях выработок на шахте "Юбилейная" АО "Рос-

е=

4а!) (2А -4)~2 (2А + 4) Л,2 Л22 агссо£(' А)

(7)

товуголь", шахте "Распадская - коксовая" ЗАО "Распадская угольная компания и шахте "Ленина" ОАО "Кузбассуголь"

е

0.004

0 003

0.002

0 001 „

Рис 6 Зависимость относительной погрешности измерения глубины погружения подающей штанги в шпур в функции радиуса штанги при четырех значениях расстояния оси штанги от оси шпура 1 - а = 1 мм, 2 - а = 2 5 3 -а = 5 мм. 4 -а =10мч

Емкостной каротаж проводился в кровле подготовительных выработок и транспортных штреков с целью определения границ непосредственной кровли и основной кровли, наличия в них расслоений, глинистых и других прослоек, трещиноватых и обводненных зон Полученные данные сравнивались с имеющимися геологическими данными, а также поверялись данными ультразвукового и видеокаротажа скважин

На рис 7-9 представлены характерные результаты электроемкостных каротажных измерений на одном из участков каждой из шахт ("Юбилейной", "Распадской" и "Ленина" соответственно) Указанные результаты свидетельствуют о том, что с использованием метода электроемкостного каротажа надежно решается задача литологического расчленения породного массива вокруг выработки и выявления границы между непосредственной и основной кровлей Кроме того, по аномалиям а = /(г) и е = /(г) достаточно четко выделяются глинистая прослойка в непосредственной

кровле подготовительной выработки {рис. 7) на глубине ~ 0,3-0,5 м; расслоение (заполненная воздухом трещина) на границе между непосредственной и основной кровлей выработки (рис. 8); увлажненная трещиноватая зона на глубине 1,25-1,35 м в основной кровле транспортного штрека.

Рис. 7. Результаты исследования кровли пласта на участке транспортного иггрека №325 в условиях шахты "Юбилейная"

Эти данные могут быть использованы как для прогноза устойчивости кровли, так и для корректировки паспорта ее штангового крепления.

В заключение четвертой главы диссертации кратко рассмотрена методика структурной диагностики массива горных пород в окрестностях горных выработок.

г, mi

Рис 8 Резупьтаты исследования кровли подгоювитетьной выработки, пройденной по 3-4 пласту в условиях шахты "Распадская-коксовая"

г, мм

Рис 9 Результаты исследования кровли транспортного штрека №342 пройденного по III пчасту в устовиях ша\гы "Ленина"

Дано описание назначения методики, возможных объектов исследований, аппаратурного обеспечения электроемкостного каротажа, алгоритма его реализации, обработки и интерпретации экспериментальных данных

Заключение

Диссертация представляет собой законченную квалификационную работу, содержащую решение актуальной научной задачи обоснования и разработки бесконтактною каротажного электроемкостного метода структурной диагностики углепородного массива в окрестностях горных выработок, имеющего важное значение для повышения качества информационного обеспечения прогноза и поддержания их устойчивости

Основные научные результаты, выводы и рекомендации, полу-ченые лично автором, заключаются в следующем

1 Обоснована возможность выявления закономерностей влияния структурных неоднородностей углепородного массива на информативные параметры электроемкостного каротажа путем математического моделирования осесимметричных электрических полей методом конечных элементов и последующего численного моделирования с использованием программы ЕЬСиТ, адаптированной для решения соответствующего класса задач

2 На основе численного и физического моделирования выявлен характер изменения емкости между потенциальным и токовым электродами емкостного зонда в функции от наличия таких структурных неоднородностей в приконтурном массиве, как лигологические границы, трещины, прослойки и включения с аномальными электрическими свойствами, зоны повышенной трещиноватости, обводненности и др

3 Установлено, что наличие трещин в контролируемом массиве, при пересечении их электроемкостным зондом, проявляется на каротажных кривых емкости между потенциальным и токовым электродами в виде аномальных выбросов седлообразной формы Причем по знаку этого выброса можно судить о виде заполнителя трещины, а по величине приращения емкости, по сравнению с той, коюрая имела бы место при отсутствии трещины, - о величине раскрыва трещины

4 Установлены закономерности влияния величины зазора между зондом и поверхностью контрольного шпура на чувствительность каротажных емкостных измерений Обоснована возможность использо-

вания указанных закономерностей для оценки и учета соответствующих погрешностей измерений

5 Теоретически и экспериментально исследовано помеховое влияние поверхностной проводимости зонда, обусловленной его увлажнением и загрязнением, и обоснована возможность исключения указанного влияния за счет отодвигания области воздействия эксперимента вглубь массива путем введения в конструкцию зонда охранных колец, напряжение на которых эквипотенциально токовым электродам

6 Разработаны принципы построения компьютеризированной аппаратуры электроемкостного каротажа углепородного массива в окрестностях выработок, обеспечивающей бесконтактные высокоточные измерения составляющих комплексной электропроводности изучаемой геосреды с одновременной автоматической привязкой результатов этих измерений к глубине каротажа и подавлением основных помеховых факторов, влияющих на результаты измерений

7 Обоснован и практически реализован оперативный способ определения глубины погружения емкостного зонда в контрольный шпур, базирующийся на измерениях электрической емкости между металлической подающей штангой и стенками шпура На основе полученных аналитических соотношений и численного моделирования установе-ны погрешности указанного способа в функции отклонения осей штанги и шпура, а также величины радиуса штанги

8 Разработано методическое обеспечение электроемкостного каротажа массива в окрестностях выработок, на основе которого проведены экспериментальные работы по структурной диагностике околовыра-боточного пространства на шахтах различных угледобывающих регионов страны

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах

1. Дагаев В.Ю Направления совершенствования емкостного метода для определения состояния приконтурного массива.//Сборник науч-

ных трудов студентов магистратуры Московского государственного горного университета Выи 3 -М Из-во МГГУ, 2002,- с 237-242

2 Дагаев В Ю Экспериментальные исследования емкостного зонда с защитными электродами // Горный информационно-аналитический бюллетень (ГИАБ), №8, 2002, - с 124-125

3 Дагаев В Ю О влиянии контактных условий на погрешность электрических измерений //ГИАБ, №10,2003,- с 238-239

4 Дагаев В Ю Компьютерное моделирование емкостного метода определения состояния приконтурного массива в окрестностях выработок //Сборник научных докладов Международной научно-технической конференции "Горная геология, геомеханика и маркшейдерия", часть 1 - Донецк, 2004,- с 199-204

5 Раховский В И, Дагаев В Ю Устройство для измерения электрической емкости Патент РФ № 2186402 С2 G01R 27/02, 17/12, опубликован в Б.И. №7,2002

6 Раховский В И, Дагаев В Ю. Дагаев Ю В Устройство для прецизионного измерения расстояний Патент РФ № 2221217 С2 G01B 7/00, 7/14, опубликован в Б И №7,2004

7 Раховский В И, Дагаев В Ю Устройство для прецизионного измерения электрической емкости Патент РФ № 2239200 С2 G01R 27/26, 17/10, опубликован в Б.И №7,2004.

8 Дагаев В Ю Методика геолого-структурной диагностики массива в окрестностях горных выработок с использованием электроемкостного каротажного метода //Отдельные статьи ГИАБ, №3, 2006, - 22 с

Подписано в печать 04 04 07 Формат 60x90/16

Объем 1 пл Тираж 100 экз Заказ 399

Типография Московского государа венного горного университета Москва, Ленинский проспект, д 6

Содержание диссертации, кандидата технических наук, Дагаев, Владимир Юрьевич

Введение.

Глава 1. Проблема поддержания устойчивости горных выработок и роль геоконтроля в ее решении.

1.1. Горные выработки как элемент системы разработки полезных ископаемых и факторы, влияющие на их устойчивость.

1.2. Роль геоконтроля в решении задачи оценки структуры, свойств и состояния горных пород в окрестностях горных выработок.

1.3. Геофизические методы контроля, используемые для получения информации о структуре, свойствах и состоянии породного массива.

1.4. Методы определения нарушений структуры и состояния пород в законтурной зоне горных выработок.

1.5. Электрические свойства горных пород.

1.6. Емкостной метод изучения структуры, свойств и состояния массива в окрестности выработок и существующие проблемы в его развитии и реализации.

1.7. Выводы и постановка задач исследования.

Глава 2. Исследование влияния неоднородностей массива горных пород в окрестностях выработок на информативные параметры емкостного контроля методами математического моделирования.

2.1. Особенности моделирования осесимметричных электрических полей методом конечных элементов с использованием программы "е1сиГ.

2.2. Постановка задач исследования влияния литологического разреза на информативные параметры емкостного контроля.

2.3. Исследование влияния границы раздела двух сред на информативные параметры емкостного контроля.

2.4. Исследование влияния расслоения в углепородном массиве.

2.5. Исследование влияния зазора между поверхностью зонда и внутренней поверхностью шпура на чувствительность зондовой измерительной системы.

2.6. Постановка задачи обнаружения неоднородности с аномальными электрическими свойствами в окрестности подготовительной горной выработки.

2.7. Исследование формы рабочей зоны в поперечном направлении при наличии и отсутствии дополнительного электрода.

2.8. Исследование формы рабочей зоны в продольном направлении при наличии дополнительного электрода.

2.9. Исследование метрологических характеристик зонда, построенного на принципе измерения собственной емкости.

2.10. Выводы по главе.

Глава 3. Экспериментальные исследования на моделях.

3.1. Описание экспериментальной установки.

3.2. Экспериментальная проверка способа защиты от поверхностных токов.

3.3. Исследование свойств двухкомпонентных измерений.

3.4. Проблема воздушного зазора между зондом и стенками скважины.

3.5. Оценка точности локализации границы раздела двух сред.

3.6. Экспериментальная проверка работоспособности дифференциального зонда с двумя токовыми каналами.

3.7. Экспериментальное исследование границ слоев различных типов пород, чередующихся вдоль контрольного шпура.

3.8. Выводы по главе.

Глава 4. Разработка аппаратурного и методического обеспечения изучения структуры горных пород в окрестностях горных выработок на основе электроемкостных измерений. Результаты натурных экспериментальных исследований.

4.1. Аппаратура для реализации электроемкостных измерений в массиве.

4.2. Программное обеспечение емкостного контроля на основе микропроцессорной техники.

4.3. Метод измерения координат мерительного инструмента и его аппаратурная реализация.

4.4. Расчет параметров устройства измерения глубины погружения мерительного инструмента в шпур методом конечных элементов.

4.5. Экспериментальные исследования строения и неоднородностей углевмещающего массива в окрестностях выработок емкостным методом.

4.6. Методика структурной диагностики массива в окрестностях горных выработок на основе электроемкостных каротажных измерений.

4.7. Выводы по главе.

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Обоснование и разработка каротажного электроемкостного метода оценки структуры углепородного массива в окрестностях горных выработок"

Прогноз и поддержание устойчивости горных выработок различного назначения на стадиях их строительства и эксплуатации является одной из наиболее важных и сложных задач геомеханического обеспечения добычи угля подземным способом. Решение этой задачи требует, в частности, надежной и оперативной информации о структурных особенностях и нарушенности массива в окрестностях выработанного пространства. Получение указанной информации возможно на основе каротажных и межскважинных геофизических измерений, осуществляемых непосредственно из подлежащих контролю выработок. Наиболее распространенными видами таких измерений в настоящее время являются акустические и электрические измерения. Однако, последние не лишены серьезных недостатков, таких как низкие производительность, помехозащищенность и разрешающая способность, а также сложность однозначной интерпретации получаемых результатов. Во многом избежать этих недостатков возможно путем использования в структурной диагностике приконтурного массива многопараметрового электроемкостного метода. Реализуемый в режиме бесконтактного каротажа этот метод предполагает создание с помощью емкостного зонда электрического поля на локальных участках массива вокруг контрольной скважины и определение искомых характеристик этих участков по вызванной ими обратной реакции на источник поля. Имеющийся на сегодня незначительный опыт использования скважинных электроемкостных измерений в геоконтроле свидетельствует о несоответствии их потенциальных возможностей и уровня практической реализации, что связано с нерешенностью ряда проблем, прежде всего, методического и аппаратурного характера. Сказанное определяет актуальность проведения теоретических и экспериментальных исследований, направленных на повышение информационной и технологической эффективности каротажного электроемкостного метода геологоструктурной диагностики углепородного массива в окрестностях горных выработок.

Цель диссертационной работы заключается в установлении взаимосвязей между характеристиками геологической среды, отражающими ее структурную неоднородность, и информативными параметрами электроемкостных бесконтактных каротажных измерений, обоснование на этой основе метода структурной диагностики и нарушенности углепородного массива в окрестностях выработок, а также разработка принципов построения аппаратуры для реализации этого метода.

Идея работы состоит в использовании бесконтактных каротажных электроемкостных измерений составляющих комплексной проводимости геологической среды в окрестностях выработок для оценки строения и структурных неоднородностей этой среды.

Основные научные положения, выносимые на защиту:

1. Математическое моделирование осесимметричных электрических полей методом конечных элементов и последующее численное моделирование с использованием программы "ЕЬСиТ" позволяет установить закономерности влияния различных структурных неоднородностей приконтурного массива на величину емкости между потенциальным и токовым электродами каротажного электроемкостного зонда, а использование этих закономерностей для интерпретации результатов скважинных электроемкостных измерений позволяет выявить и идентифицировать такие неоднородности как литологические границы, трещины, нарушенные и обводненные зоны и др.

2. Для обеспечения высокой точности и надежности выявления и идентификации структурных неоднородностей в приконтурном массиве каротажным электроемкостным методом необходимо измерять как минимум два информативных параметра контроля - активную и реактивную составляющие проводимости на заданной частоте, по значениям которых могут быть оценены также такие информативные параметры, как межэлектродная емкость скважинного зонда, диэлектрическая проницаемость, тангенс угла диэлектрических потерь и удельная электрическая проводимость исследуемой среды.

3. Основными помеховыми факторами при проведении скважинных электроемкостных измерений являются паразитные токи, протекающие по загрязненной поверхности зонда, а также изменение зазора между поверхностями зонда и контрольного шпура. Уменьшение влияния первого из указанных факторов достигается за счет смещения зоны максимальной чувствительности вглубь исследуемой геосреды путем введения между токовым и потенциальным электродами охранных колец, напряжение на которых эквипотенциально токовым электродам. Уменьшение влияния второго фактора достигается применением конструктивных мер стабилизации зазора и внесением поправок в результаты измерений на основе полученных в работе зависимостей чувствительности электроемкостной измерительной системы от величины зазора.

4. Основные принципы построения аппаратуры электроемкостного каротажа углепородного массива в окрестностях выработок определяются требованием обеспечения указанной аппаратурой: формирования потенциалов на дополнительных электродах зонда, обеспечивающих нейтрализацию поверхностной проводимости последнего; независимой оценки составляющих комплексной электропроводности изучаемой геосреды на основе использования трансформаторных измерительных цепей и квадратурного синхронного детектирования сигнала; непрерывного измерения емкости между досылочной штангой и стенками контрольного шпура, значение которой, с учетом фиксируемых зондом изменений электрических свойств указанных стенок, позволяет определять глубину погружения зонда в приконтурный массив.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается:

1. Качественным совпадением зависимостей изменения информативных параметров электроемкостного контроля при структурной диагностике массива, полученных в результате численного моделирования и экспериментальных исследований на моделях и в натурных условиях.

2. Удовлетворительной сходимостью (с погрешностью не превышающей нескольких %) результатов определения границ структурных неоднородностей, установленных по результатам электроемкостных измерений и традиционно используемых геологических и геофизических методов контроля.

3. Хорошей воспроизводимостью установленных взаимосвязей информативных параметров электроемкостного метода контроля с искомыми структурными неоднородностями массива при многократных измерениях в лабораторных и натурных условиях.

4. Использованием при проведении экспериментов аппаратурного обеспечения, обладающего высокими метрологическими характеристиками.

Научная новизна работы заключается:

• в обосновании возможности использования математического моделирования осесимметричных электрических полей методом конечных элементов на основе компьютерной программы "ЕЬСиТ" для выявления закономерностей изменения информативных параметров электроемкостного каротажа в функции от различных типов структурных неоднородностей;

• в выявлении характера аномалий на каротажных кривых электроемкостного контроля, соответствующих различным типам структурных неоднородностей;

• в установлении причин и закономерностей влияния на результаты электроемкостного каротажа массива горных пород в окрестностях выработок таких помеховых факторов, как паразитные токи, протекающие по поверхности зонда, наличие и нестабильность зазора между поверхностью последнего и стенками контрольных шпуров;

• в обосновании и разработке принципов построения аппаратуры для реализации электроемкостных каротажных измерений в окрестностях горных выработок.

• Экспериментальной оценке возможностей и характеристик каротажного электроемкостного метода геоконтроля и аппаратуры для его реализации в натурных условиях.

Научное значение работы заключается в установлении закономерностей влияния различных типов структурных неоднородностей в массиве горных пород в окрестностях горных выработок на информативные параметры электроемкостного скважинного метода контроля, а также влияния на характеристики последнего помеховых факторов различной физической природы.

Практическая ценность работы заключается в разработке электроемкостного многопараметрового метода контроля структурной диагностики массива в окрестностях горных выработок, а также аппаратурного и методического обеспечения для его реализации.

Реализация результатов работы. Разработанная на основе исследований автора "Методика структурной диагностики углепородного массива в окрестностях горных выработок на основе электроемкостных каротажных измерений" передана в ЗАО "Распадская угольная компания" и рекомендована к практическому использованию на шахтах компании для оценки и прогноза состояния горных выработок в структуре геотехнического мониторинга.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на научных симпозиумах "Неделя горняка" (МГГУ, Москва, 2000, 2002, 2003), на Межвузовском семинаре "Экологическая безопасность и устойчивое развитие" (МГГУ, Москва, 2004), на Научно-практической конференции "Горная геология, геомеханика и маркшейдерия" (Донецк, 2004). Отдельные элементы работы были представлены на открытом конкурсе на лучшую научную работу студентов вузов РФ (Москва, 2003), где были отмечены медалью "За лучшую научную студенческую работу"; на Всероссийской выставке-ярмарке научно-исследовательских работ и инновационной деятельности студентов, аспирантов и молодых ученых высших учебных заведений РФ (Новочеркасск, 2003), а также на IX Международной выставке молодежных научно-технических проектов ЭКСПО-Наука (Москва, 2003), где были отмечены дипломами.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 научных работ в том числе 3 в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения, изложенных на 159 страницах, содержит 50 рисунков, 2 таблицы, список литературы из 72 наименований.

Заключение Диссертация по теме "Горнопромышленная и нефтегазопромысловая геология, геофизика, маркшейдерское дело и геометрия недр", Дагаев, Владимир Юрьевич

4.7. Выводы по главе.

1. Комплексная электропроводность массива может быть представлена как произведение функции, описывающей геометрию мерительного инструмента и комплексной диэлектрической проницаемости. Это определяет возможность измерения комплексной диэлектрической проницаемости среды при экспериментально определенной функции геометрии зонда.

2. Наиболее эффективными средствами раздельного и независимого измерения электропроводности и диэлектрической проницаемости среды являются методы измерения на основе трансформаторных мостов переменного тока с последующим квадратурным синхронным детектированием сигнала.

3. Высокая информативность каротажных электроемкостных многокомпонентных методов измерений может быть достигнута только при условии применения современных цифровых средств обработки информации, включающих в себя аналого -цифровое преобразование сигналов и их последующую обработку высокоточными цифровыми методами с помощью современных электронных вычислительных машин при наличии соответствующего программного обеспечения, основные требования к которому сформулированы в главе.

4. Реально задача решается с помощью зонда, вводимого в шпур. При этом возникает проблема определения глубины погружения мерительного инструмента в шпур. Решение этой проблемы возможно на основе измерения электрической емкости между подающей штангой и стенками шпура. При этом минимизация погрешностей определения глубины погружения зонда может достигаться за счет использования штанг малого диаметра, принятия специальных мер центрирования штанги относительно шпура и внесения поправок с учетом изменения электрофизических свойств стенок шпура, фиксируемых зондом.

5. Проведенная в натурных условиях различных угледобывающих регионов экспериментальная проверка электроемкостного бесконтактного каротажного метода оценки структурной неоднородности массива горных пород в окрестностях выработок подтвердила его высокую технологическую и информационную эффективность, а также правильность обоснованных в работе технических решений аппаратурной реализации указанного метода.

Заключение

Диссертация представляет собой законченную квалификационную работу, содержащую решение актуальной научной задачи обоснования и разработки бесконтактного каротажного электроемкостного метода структурной диагностики углепородного массива в окрестностях горных выработок, имеющей существенное значение для повышения качества информационного обеспечения прогноза и поддержания их устойчивости.

Основные научные результаты, выводы и рекомендации работы, полученные лично автором, заключаются в следующем.

1. Обоснована возможность выявления закономерностей влияния структурных неоднородностей углепородного массива на информативные параметры электроемкостного каротажа путем математического моделирования осесимметричных электрических полей методом конечных элементов и последующего численного моделирования с использованием программы ЕЬСиТ, адаптированной для решения соответствующего класса задач.

2. На основе численного и физического моделирования выявлен характер изменения емкости между потенциальным и токовым электродами емкостного зонда в функции от наличия таких структурных неоднородностей в приконтурном массиве как литологические границы, трещины, прослойки и включения с аномальными электрическими свойствами, зоны повышенной трещиноватости, обводненности и др.

3. Установлено, что наличие трещин в контролируемом массиве, при пересечении их электроемкостным зондом, проявляется на каротажных кривых емкости между потенциальным и токовым электродами в виде аномальных выбросов седлообразной формы. Причем по знаку этого выброса можно судить о виде заполнителя трещины, а по величине приращения емкости, по сравнению с той, которая имела бы место при отсутствии трещины - о величине раскрыва трещины.

Установлены закономерности влияния величины зазора между зондом и поверхностью контрольного шпура на чувствительность каротажных емкостных измерений. Обоснована возможность использования указанных закономерностей для оценки и учета соответствующих погрешностей измерений.

Теоретически и экспериментально исследовано помеховое влияние поверхностной проводимости зонда, обусловленной его увлажнением и загрязнением, и обоснована возможность исключения указанного влияния за счет отодвигания области воздействия эксперемента вглубь массива путем введения в конструкцию зонда охранных колец, напряжение на которых эквипотенциально токовым электродам. Разработаны принципы построения компьютеризированной аппаратуры электроемкостного каротажа углепородного массива в окрестностях выработок, обеспечивающей бесконтактные высокоточные измерения составляющих комплексной электропроводности изучаемой геосреды с одновременной автоматической привязкой результатов этих измерений к глубине каротажа и подавлением основных помеховых факторов, влияющих на результаты измерений. Обоснован и практически реализован оперативный способ определения глубины погружения емкостного зонда в контрольной шпур, базирующийся на измерениях электрической емкости между металлической подающей штангой и стенками шпура. На основе полученных аналитических соотношений и численного моделирования установлены погрешности указанного способа в функции от отклонения осей штанги и шпура, а также величины радиуса штанги.

8. Разработано методическое обеспечение электроемкостного каротажа массива в окрестностях выработок, на основе которого проведены экспериментальные работы по структурной диагностике околовыработочного пространства на шахтах различных угледобывающих регионов страны.

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Дагаев, Владимир Юрьевич, Москва

1. О.Якоби. Практика управления горным давлением. М.: Недра. 1987. 566с.

2. Ломтадзе В. Д. Инженерная геология месторождений полезных ископаемых: Учебник для вузов.-Л.: Недра, 1986.-272 с.

3. Заславский И.Ю., Компанец В.Ф., Файвишенко А.Г., Клещенков В.М. Повышение устойчивости подготовительных выработок угольных шахт. М.: недра, 1991. - 235с.

4. Дырдин В. В. Иванов В. В. Геоэлектрический контроль состояния массивов. Контроль состояния массивов. М.: Недра, 1983.-216 с.

5. Литвинский Г.Г. Кинетика хрупкого разрушения породного массива в окрестности горной выработки // ФТПРПИ, 1974. № 5. - С. 15 - 22.

6. Рева В.Н., Мельников О.И., Райский В.В. Поддержание горных выработок. М.; 1995.

7. Баклашов И. В. Деформирование и разрушение породных массивов.-М.: Недра, 1988.-271 с.

8. Черняк И. Л., Ярунин С. А. Управление состоянием массива горных пород: Учебник для вузов.-М.: Недра, 1995.-395 с.

9. Грицко Г. И., Цыцаркин В.Н. Горное давление в подготовительных выработках крутых пластов. Н.: Наука, 1982.-372 с.

10. Ю.Потапенко В. А. Проведение и поддержание выработок в неустойчивых породах. М.: Недра, 1990.- 240 с.

11. П.Заславский Ю.З. Исследование проявлений горного давления в капитальных выработках глубоких шахт Донецкого бассейна. М.: Недра, 1966.- 180 с.

12. Глушко В.Т., Гавеля С.П. Оценка напряженно-деформированного состояния массива горных пород. М.: Недра, 1986. 221 с.

13. В.Коржинская Н. Д. Руководство по определению нарушенности пород вокруг выработок реометрическим методом. Апатиты.: Академия наук СССР, 1971.-25 с.

14. Ю.В. Бондаренко, Г.И. Соловьев, С.Г. Негрей, Е.В. Кублицкий, О влиянии плотности разрушенного породного массива на устойчивость выработки. Сборник научных трудов НГА Украины №12, Том 2. -Днепропетровск: РИК НГА Украины, 200I.e. 91-94.

15. Ярофеев Н. П. Прогнозирование устойчивости горных выработок. Алма-Ата.: Наука, КазССР, 1977.-297 с.

16. Рогинский В. М. Проектирование и расчет железобетонной штанговой крепи. М.: Недра, 1971. 234 с.

17. Югон А., Кост А. Штаноговое крепление горных пород. М.: Гостехиздат, 1961. 78 с.

18. Турчанинов И. А., Панин В. И. Геофизические методы определения и контроля напряжений в массиве. М.: Наука, 1976. 180 с.

19. Курнеля. М. В. Геофизические способы контроля напряжений и деформаций. Новосибирск.; ИГД, 1985. 256 с.

20. Неразрушающий контроль и диагностика. Под ред. В.В. Клюева. Справочник. 1997. 1200 с.

21. Геофизические методы исследования / Под ред. В.К.Хмелевского.-М.Недра, 1988.-343 с.

22. Хмелевской В.К. Геофизические методы исследования земной коры. Кн. 1.-Дубна: Международный университет природы, общества и человека «Дубна», 1997. 57 с.

23. Федынский В. В. Разведочная геофизика. М.: Недра, 1967.-823 с.

24. Ржевский В.В., Новик Г.Я. Основы физики горных пород: Учебник для вузов.-4-e издание., перераб. и доп. М.: Недра, 1984.-359 с.

25. Фарафонов В. М. Разработка способов контроля напряженного состояния массива на калийных месторождениях на основе исследования электрофизических свойств соляных горных пород. Дис. М.: МГИ, 1982.- 140 с.

26. Попов В. Н., Букринский В. А., Бруевич П. Н. и др.; Под ред. Попова В. Н., Букринского В.А.: Геодезия и маркшейдерия. Учебник для вузов. М.: Издательство Московского государственного горного университета, 2004. 453 с.

27. Бугров А. В. Высокочастотные емкостные преобразователи и приборы контроля качества. М.: Машиностроение, 1982.-94 с.

28. Ямщиков В. С. Методы и средства исследования и контроля горных пород и процессов. Учебник для вузов. М.: Недра, 1982.-296 с.

29. Хатиашвили Н.Г. Электрические явления при деформации и разрушении горных пород. М.: 1974. 78 с.30.01hoeft G.R. Electrical properties of rocks. In Physics and Chemistry of Mineraes Rocks, London, 1976, p.261 278

30. Scott J.H., Carroll R. D., Cunningham D.R. Dielectric constant and electrical conductivity measurements of moist rosk: A new laboratory method. Jornal of Geophysical research. 1967. пер. № КИ-74637. 1985. -25 с.

31. Мазалов В. Н., Пересветов В.В., Смальгин С. И. Моделирование электромагнитных полей в слоистых средах с включениями. Владивосток: Дальнаука, 2000. 292с.

32. Петровский А.А., Нестеров Л.Я. "Электроразведка постоянным током". Л., ГЕОЛГИЗ, 1932. 356 с.

33. Колесников В. П. Интерпретация электрических зондирования квазигоризонтальных слоистых сред: Автореферат, 1995. 26 с.

34. Кашкаров А. А. Измерение электрических свойств горных пород. Екатеринбург. 1997. -297 с.

35. Ц.И.Цыдынов, В.Ц.Цыденов, Ю.Б. Башкуев. Исследование электрических свойств подстилающей среды. М.: "Наука", 1979. 356 с.

36. Пархоменко Э.И. Явления электризации в горных породах. М.: 1968. -290 с.

37. Ерофеев JI. Я. Электрические свойства минералов и горных пород. Уч. Пособие. Томск: изд. ТПУ, 1994, 54с.

38. Урусова (Любчикова) A.B. Сплошные зондирования горизонтально-неоднородных сред: Автореферат, 1995. 54 с.

39. Касьянов В.А. "Исследование и разработка электроемкостного метода измерения трещиноватости пород вокруг горных выработок" реферат кандидатской диссертации. Донецк, 1997. 25 с.

40. Сальников В.И. Электрофизические свойства горных пород. Томск,1977. -246 с.

41. Губатенко В. П. Аналитические решения задач геоэлектрики для частотно-дисперсных неоднородных сред: Автореферат, 1994.-23 с.

42. Глушко В.Л., Белаш В.А., Низкошапка В.П., Пендюхов В. И. Определение электрических и магнитных свойств ГП в условиях естественного залегания и на образцах. Реферативные журналы. Горное дело 1998-2000 гг. №1. 2000 г.- 6 с.

43. Трансформаторные измерительные мосты. Под ред. К. Б. Карандеева. М.: Энергия, 1970.-280 с.

44. ELCUT 5.1. Руководство пользователя. Моделирование двумерных полей методом конечных элементов. Производственный кооператив ТОР. Санкт-Петербург, 2004.- 130 с.

45. Гнеденко Б. В. Курс теории вероятностей, 2 изд., М.-Л., 1954. Современные численные методы решения обыкновенных дифференциальных уравнений. / Ред. Дж. Холл, Дж. Уатт. М.: Мир, 1979.-312 с.

46. Джон Г. Мэтьюз, Куртис Д. Финк Численные методы. Использование MATLAB, 3-е издание.: Пер. с англ. М.: Издательский дом "Вильяме", 2001.-720 с.

47. Михайлов Г. А., Чешкова А. Ф. Решение разностной задачи Дирихле для многомерного уравнения Гальмгольца методом Монте-Карло. // Журнал вычислительной математики и математической физики. 1996. Т. 38, №1, с. 99-106.

48. Бронштейн И. Н., Семендяев К. А. Справочник по математике для инженеров и учащихся вузов. М.: Наука, 1986. 296 с.

49. Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М., Теория поля. 6 изд., М., 1973 (Теоретическая физика, т, 2); Боголюбов Н. Н., Ширков Д. В., Введение в теорию квантованных полей, 2 изд., М., 1974. 56 с.

50. В. Ю. Кнеллер "Автоматическое измерение составляющих комплексного сопротивления", "Энергия". М-Л, 1987.-287 с.

51. Батыгин В.В., Топтыгин И.Н. Сборник задач по электродинамике. М.: Изд-во Наука, 1970. 237 с.

52. Абрамов И.А., Крысин Ю.М., Путилов В.Г. Анализ и расчет точных характеристик преобразователя параметров параллельных RC-цепей. Жур. Датчики и Системы. №8 2000 М.; из-во: СенСиДат. -48 с.

53. Х. И. Кунце. Методы физических измерений. Из-во "Мир". М.:1989. -156 с.

54. Момот Е. Г. "Проблемы и техника синхронного приема". Госэнергоиздат, 1941. 147 с.

55. Крапивин А. М. Автоматизированный контроль и управление уровнем жидких и сыпучих материалов на основе диэлькометрического метода измерения. Автореферат кандидатской диссертации М.: 2003.-19 с.

56. Бухгольц В. П., Тисевич Э.Г. Емкостные преобразователи в системах автоматического контроля и управления. М.: Энергия, 1972.-78 с.

57. Матис И. Г. Электроемкостные преобразователи для неразрушающего контроля. Рига: Знание, 1982.-148 с.

58. Тамм И. Е. Основы теории электричества. М.: Наука, 1976. 240 с.

59. Бразгалова Г. Г. Исследование особенностей радиолокации в массиве горных пород и разработка методов повышения ее эффективности. Дис. М.:МГИ, 1976.- 155 с.

60. Хамидов Г. Электрометрический метод изучения глубинных смещений горных пород. Автореферат. Ташкент, 1991.-24 с.

61. Каменский Ф. М. Электромагнитные геофизические исследования методом переходных процессов. М.: ГЕОС, 1997.-289 с.

62. В.Л.Шкуратник. Измерения в физическом эксперименте. Учебник для горных специальностей вузов. М., Издательство Академии горных наук, 2000.-256 с.

63. А. М. Чумичев. Приборы и оборудование для геофизического контроля и исследования процессов горного производства. Уч. пос. М.: 1992.-45 с.

64. Клионский М. Д. Стандартизация методов определения характеристик твердых диэлектриков в диапазоне частот 50 108 Гц. - Сиб. Гос. НИИметрологии, Труды, 1971, вып. 12.-57 с.

65. Deere D. U. Technical description of rock cores for engineering purposes. Rock Mech. Eng. Geol., N 1. p. 13-19.

66. Griffith A. A. The Phenomenon of rupture and flow in solids. Phil. Trans. Roy. Soc., 1920, A. V. 221. p. 55-64.

67. Hansagi L. A method of determining the degree of fissuration of rock. Int. S.Rock Mech. Sci. Vol. 11. p. 118-123.

68. A. M. Илюкович. Техника электрометрии. Из-во "Энергия", 1976. -290 с.

69. Степин Л. Д. Диэлектрическая проницаемость среды с неоднородными включениями сферической формы. ЖТФ, 1964, т. 34, вып. 10.-40 с.

70. Гречухин В. В. Геофизические методы исследования угольных скважин. М.: Недра, 1970. 123 с.