RU2019698C1 - Method for geoelectric tomography of unstable roofs of coal seams - Google Patents

Abstract

FIELD: mining. SUBSTANCE: method consists in grounding of current carrying electrodes A and B and measuring electrodes M and N in two mine workings, excitation of electric field through current-carrying electrodes A and B, measuring field value through measuring electrodes M and N. In this case, electrodes are moved in compliance with preset diaphragm. All electrodes are grounded in low-resistance roof rocks. Measuring electrodes M and N are grounded in different mine workings. One of current-carrying electrodes A is grounded hear measuring electrode M. Current-carrying electrode is grounded in the working in which measuring electrode N is grounded at distance several times as large as that between electrodes M and N. Electric field is measured simultaneously by varying distance between electrodes M and N. EFFECT: higher efficiency. 13 dwg

Description

Изобретение относится к способам прогнозирования горно-геологических условий добычи угля и может быть использовано при наличии возможностей заземления электродов на разных сторонах исследуемого объекта. The invention relates to methods for predicting the mining and geological conditions of coal mining and can be used if there are opportunities for grounding the electrodes on different sides of the investigated object.

Известен способ прогнозирования прочности углесодержащих пород, основанный на измерении кажущегося электрического сопротивления породы и определения последующими расчетами на основании проведенных измерений прочностных параметров кровли (1). Недостатками указанного способа являются его невысокая достоверность, связанная со сложностью измерений и расчетов, а также низкая надежность. A known method for predicting the strength of coal-bearing rocks, based on measuring the apparent electrical resistance of the rock and determine subsequent calculations based on measurements of the strength parameters of the roof (1). The disadvantages of this method are its low reliability associated with the complexity of measurements and calculations, as well as low reliability.

Известен способ определения состояния массива горных пород, состоящий в том, что из специального приемопередатчика посылают электромагнитные импульсы в массив горных пород и принимают импульсы, отраженные поверхностью раздела между слоями пород с различными электрическими свойствами. После обработки импульсов получают сведения о расположении породообразующих слоев (2). Недостатком указанного способа являются невысокая достоверность и точность при определении конкретного местоположения неоднородности. A known method for determining the state of a rock massif is that electromagnetic pulses are sent from a special transceiver to the rock massif and receive pulses reflected by the interface between layers of rocks with different electrical properties. After processing the pulses, information is obtained on the location of the rock-forming layers (2). The disadvantage of this method is the low reliability and accuracy in determining the specific location of the heterogeneity.

Наиболее близким по технической сущности является способ выявления зон неустойчивой кровли (представленной, например, сланцем глинистым) электрометрическим методом (3). В указанном способе электрический ток подается в массив пород генератором через токовые электроды А и В, а с помощью электродов М и N производится измерения разности потенциалов. При этом электроды А и В заземляются с расстоянием 300-500 м между ними (разность электродов) в одной горной выработке, а электроды М и N - в другой горной выработке. При неизменном расстоянии между диполями АВ и МN вся установка перемещается определенным шагом вдоль объекта исследования. Заземления всех электродов производится в пласт угля. Недостатками существующего способа являются низкая точность и достоверность прогнозирования, так как отсутствует детальное описание распределения свойств пород в зонах неустойчивой кровли угольных пластов. The closest in technical essence is a method for identifying areas of an unstable roof (represented, for example, by clay shale) by the electrometric method (3). In this method, an electric current is supplied to the rock mass by a generator through current electrodes A and B, and using the electrodes M and N, the potential difference is measured. In this case, the electrodes A and B are grounded with a distance of 300-500 m between them (the difference of the electrodes) in one mine, and the electrodes M and N in another mine. With a constant distance between the dipoles AB and MN, the entire installation moves with a certain step along the object of study. Grounding of all electrodes is made into the coal seam. The disadvantages of the existing method are the low accuracy and reliability of forecasting, since there is no detailed description of the distribution of rock properties in the zones of unstable roofing of coal seams.

Причины указанных недостатков следующие. The reasons for these shortcomings are as follows.

1. На основании анализа видимо неполного банка данных в существующем способе утверждается, что по интенсивности аномальных кривых (фиг. 1,в), полученных при различных разносах, можно судить о глубине залегания включения. 1. Based on the analysis of the apparently incomplete data bank in the existing method, it is stated that the intensity of the anomalous curves (Fig. 1, c) obtained at various spacings can be used to judge the depth of inclusion.

Это утверждение не соответствует действительности, что убедительно доказано физическим моделированием в электролитической ванне, результаты которого неоднократно проверены на практике и взяты за основу при создании нормативных документов. Моделировалось несколько методов, в том числе и метод симметричного электрического профилирования (далее СЭП, фиг. 1,б), а также четырехэлектродное последовательное электропросвечивание (далее ЧЭП-П, фиг. 1, а). Так, при изменении величины Р/АВ (где Р - размер включения, а АВ - расстояние между электродами А и В) интенсивность на графиках СЭП возрастает только до Р/АВ = 1 (фиг. 2) далее, при всех Р/АВ > 1, оставалась постоянной. (Следует указать, что на фиг. 2-7 представлены сводные графики физического моделирования на известной работы). Значительно сильнее интенсивность кривых изменяется в зависимости от расстояния до профиля измерений Z, расстояния от профиля измерений по вертикали вверх-вниз Y, угла между границей неоднородности и профилем измерений b. This statement is not true, which is convincingly proved by physical modeling in an electrolytic bath, the results of which have been repeatedly tested in practice and taken as a basis for the creation of regulatory documents. Several methods were simulated, including the method of symmetric electrical profiling (hereinafter, SES, Fig. 1, b), as well as four-electrode sequential electrical illumination (hereinafter, ChEP-P, Fig. 1, a). So, when changing the value of P / AB (where P is the size of the inclusion, and AB is the distance between the electrodes A and B), the intensity on the SED graphs increases only to P / AB = 1 (Fig. 2) further, for all P / AB> 1, remained constant. (It should be noted that in Figs. 2-7, summary plots of physical modeling for a known work are presented). The intensity of the curves is much stronger depending on the distance to the measurement profile Z, the distance from the measurement profile vertically up and down Y, and the angle between the boundary of the inhomogeneity and the measurement profile b.

При изменении Р/АВ в методе ЧЭП-П (фиг. 3) интенсивность кривых изменяется в очень незначительных пределах. Гораздо сильнее - при изменении Z и Y (изменение которых проводилось в соотношении их с расстояниями АВ и MN, а также с расстоянием между моделями горных выработок Lб). When P / AB changes in the CHEP-P method (Fig. 3), the intensity of the curves changes in very small limits. Much stronger - when changing Z and Y (which was changed in the ratio of them with the distances AB and MN, as well as with the distance between the models of mine workings Lб).

Наибольшее влияние на интенсивность кривых оказывает соотношение электрических сопротивлений искомых локальных включений (зон неустойчивой кровли пластов угля) и массива горных пород. Но это существующий способ не учитывает. The greatest influence on the intensity of the curves is exerted by the ratio of the electrical resistances of the sought-after local inclusions (zones of unstable roofing of coal seams) and the rock mass. But this existing method does not take into account.

2. В существующем способе утверждается, что по расстоянию между максимумами L на кривой можно определить глубину залегания неоднородности. 2. In the existing method, it is argued that the distance between the maxima L on the curve can determine the depth of the heterogeneity.

По результатам моделирования видно, что параметр L/Р при Р = АВ на кривых метода ЧЭП-П (фиг. 4) изменяется только от 0 до Р/АВ = 1, при Р/АВ > 1 оставаясь постоянным. Для кривых СЭП (фиг. 5) параметр L/Р изменяется при Р = (0...0,25)АВ, при Р/АВ > 0,25 оставаясь постоянным. According to the simulation results, it is seen that the parameter L / P at P = AB on the curves of the CHEP-P method (Fig. 4) varies only from 0 to P / AB = 1, while at P / AB> 1 it remains constant. For the SES curves (Fig. 5), the L / P parameter changes at P = (0 ... 0.25) AB, while at P / AB> 0.25 it remains constant.

На параметр L/Р для графиков СЭП, как и ЧЭП-П, наибольшее влияние оказывают параметры Z, Y, и b, учет которых в существующем способе на производится. The L / P parameter for the BOT plots, like the BEP-P, is most affected by the parameters Z, Y, and b, which are not taken into account in the existing method.

3. Известно, что закономерность цикла осадконакоплений в период углеобразования почти всегда выдержана. Пласт угля 1 (фиг. 6) чаще всего залегает среди сланцев глинистых 2 (сланцев песчано-глинистых) далее по разрезу следуют сланцы песчаные и песчаники. Электрическое сопротивление Rk каменных углей, больше, чем у сланцев и одного порядка с песчаниками. Поэтому при заземлении электродов в пласт угля, как это предусмотрено в "...указаниях...", мы будет получать информацию не только с кровли пласта угля, но и с его почвы, обратно пропорционально соотношению их электрических сопротивлений. 3. It is known that the regularity of the sedimentation cycle during the period of coal formation is almost always maintained. The coal seam 1 (Fig. 6) most often lies among clay shales 2 (sand-clay shales), followed by sand and sandstone shales. The electrical resistance Rk of coals is greater than that of shales and of the same order as sandstones. Therefore, when grounding the electrodes in the coal seam, as provided for in the "... guidelines ...", we will receive information not only from the roof of the coal seam, but also from its soil, inversely proportional to the ratio of their electrical resistances.

На фиг. 7 показаны распределения линий равной информации (полученные по результатам физического моделирования) вокруг горных выработок 1 при исследовании пространства методами СЭП и ЧЭП-П в условиях одинаковых электрических сопротивлений пород кровли и почвы пласта угля при заземления электродов в пласт угля 2. Если в методе СЭП изолинии группируются вокруг горной выработки, то при ЧЭП-П - между горными выработками, в том и в другом случае принося информацию далеко из почвы и кровли пласта угля. In FIG. Fig. 7 shows the distribution of lines of equal information (obtained from the results of physical modeling) around the mine workings 1 when exploring the space using the BEP and ChEP-P methods under the conditions of the same electrical resistance of the roof and soil rocks of the coal seam when grounding the electrodes in the coal seam 2. If the BEP method isolates are grouped around a mine working, then at CHEP-P - between the mining, in either case, bringing information far from the soil and the roof of the coal seam.

Поэтому для изучения неустойчивой кровли электроды следует заземлять только в породы кровли, которые, в силу своего меньшего электрического сопротивления, будут локализовать электрическое поле. При заземлении всех электродов в сланец глинистой 2 кровли (фиг. 8), наличие песчаника 3 и пласта угля 1 с высоким электрическим сопротивлением создает благоприятные условия для проведения необходимых измерений. Около 90% информации поступает только из этого пространства, что хорошо прослеживается по линиям равной информации. Therefore, to study an unstable roof, the electrodes should be grounded only in the rocks of the roof, which, due to their lower electrical resistance, will localize the electric field. When grounding all the electrodes in the shale of clay 2 of the roof (Fig. 8), the presence of sandstone 3 and a coal seam 1 with high electrical resistance creates favorable conditions for the necessary measurements. About 90% of the information comes only from this space, which is well traced along the lines of equal information.

4. В существующем способе вид теоретической кривой профилирования даже чистого (безаномального) поля (например кровли без зон ослабления пород) довольно сложен, так как является результатом суперпозиции полей заземленных электродов А и В (фиг. 9, где Г - генератор, И - измеритель). При этом интерпретация материалов исследований производится без учета теоретических кривых распределения поля (как показывает приведенный пример), что сразу же ставит под сомнение возможную эффективность исследований существующим способом, так как на фиг. 9 видно, что значения электрического сопротивления изменяются в широких пределах, в общем виде выражаясь сложным графиком: максимальные значения И ∫Sdl44 против середины АВ, наименьшие - против места стоянки электродов А и В. В остальном поле также не линейно. 4. In the existing method, the appearance of the theoretical profile curve of even a pure (ananomalous) field (for example, a roof without zones of rock weakening) is rather complicated, as it is the result of a superposition of the fields of the grounded electrodes A and B (Fig. 9, where G is the generator, And is the meter ) In this case, the interpretation of research materials is carried out without taking into account the theoretical field distribution curves (as the example shows), which immediately casts doubt on the possible effectiveness of the studies in the existing way, since in FIG. Figure 9 shows that the values of electrical resistance vary widely, generally expressed in a complex graph: the maximum values of And ИSdl44 against the middle of AB, the smallest - against the parking position of electrodes A and B. The rest of the field is also not linear.

5. В существующем способе обращает на себя внимание тот факт, что линии границ зон неустойчивой кровли проводятся без применения математического аппарата, практически интуитивно (априори), о чем свидетельствуют плавные формы границ (фиг. 10 и 11, скопированные из (3)). 5. In the existing method, it is noteworthy that the boundary lines of the zones of the unstable roof are drawn without using the mathematical apparatus, almost intuitively (a priori), as evidenced by the smooth forms of the borders (Figs. 10 and 11 copied from (3)).

Целью изобретения является повышение точности и достоверности прогнозирования путем обеспечения детального описания распределения свойств пород в зонах неустойчивой кровли угольных пластов. The aim of the invention is to improve the accuracy and reliability of forecasting by providing a detailed description of the distribution of rock properties in the zones of unstable roofing of coal seams.

Поставленная цель достигается тем, что в способе геоэлектротомографии неустойчивой кровли угольных пластов, в одной горной выработке заземляют токовые электроды А и В, в другой горной выработке заземляют измерительные электроды М и N, возбуждают электрическое поле через токовые электроды А и В, измеряют его через измерительные электроды М и N, перемещая все электроды по заданной схеме; при этом токовые и измерительные электроды заземляют не в пласт угля, а в низкоомные породы кровли, измерительные электроды М и N заземляются в противоположных сторонах исследуемого объекта, один из токовых электродов А заземляется рядом с электродом М, а второй токовый электрод В относится на расстояние, в несколько раз большее расстояния между электродами М и N, измерение электрического поля производят одновременно изменяя расстояния между электродами М и N. This goal is achieved by the fact that in the method of geoelectrotomography of an unstable roof of coal seams, current electrodes A and B are grounded in one mine working, measuring electrodes M and N are grounded in another mine working, electric field is excited through current electrodes A and B, it is measured through measuring electrodes M and N, moving all the electrodes in a given pattern; at the same time, the current and measuring electrodes are not grounded to the coal seam, but to the low-resistance roof rocks, the measuring electrodes M and N are grounded on opposite sides of the test object, one of the current electrodes A is grounded next to the electrode M, and the second current electrode B refers to the distance, several times greater than the distance between the electrodes M and N, the measurement of the electric field is carried out simultaneously changing the distance between the electrodes M and N.

При проведении патентного поиска не обнаружено технических решений, в которых совокупность существенных признаков совпадала бы с совокупностью признаков предлагаемого способа, что свидетельствует о соответствии последнего критерию "новизна". When conducting a patent search, no technical solutions were found in which the combination of essential features would coincide with the combination of features of the proposed method, which indicates the compliance of the latter with the criterion of "novelty."

При исследовании патентной и научно-технической литературы не обнаружено технических решений, в которых содержались бы признаки, соответствующие отличительным признакам предлагаемого способа с проявлением ими тех же самых свойств для достижения цели изобретения. 3то позволяет сделать вывод о соответствии предлагаемого способа критерию "существенные отличия". In the study of patent and scientific and technical literature, no technical solutions were found that would contain signs corresponding to the distinguishing features of the proposed method with the manifestation of the same properties to achieve the purpose of the invention. This allows us to conclude that the proposed method meets the criterion of "significant differences".

На фиг. 12 приводятся примеры реализации предлагаемого способа. Для создания равномерно распределенного электрического поля в объекте исследований токовый электрод А размещается в точке 1 на фиг. 12 на одной горной выработке, а другой токовый электрод В - на расстоянии более 2 км. Измерительный электрод М размещается рядом токовым электродом А, а второй измерительный электрод N размещается во второй горной выработке. Измерение разности потенциалов между электродами М и N осуществляется во многих точках путем переноса электродов в разные точки пространства (неустойчивой кровли). Расстояние между электродами А и В для одного замера оставалось постоянным, а между М и N - изменялось. In FIG. 12 are examples of the implementation of the proposed method. To create a uniformly distributed electric field in the research object, the current electrode A is located at point 1 in FIG. 12 at one mine, and the other current electrode B at a distance of more than 2 km. The measuring electrode M is placed next to the current electrode A, and the second measuring electrode N is located in the second mine. The potential difference between the electrodes M and N is measured at many points by transferring the electrodes to different points in space (unstable roof). The distance between the electrodes A and B for one measurement remained constant, and between M and N it changed.

В предлагаемом способе ток течет между электродами А и В по неустойчивой кровле, которая является объемным проводником. Уравнение Максвелла для постоянного поля напряженностью Е выглядит так:
rotE = Ф (1) Тогда
Е = -gradU (2) где U - электрический потенциал.In the proposed method, current flows between the electrodes A and B through an unstable roof, which is a volume conductor. The Maxwell equation for a constant field with intensity E looks like this:
rotE = Φ (1) Then
E = -gradU (2) where U is the electric potential.

Учитывая, что закон Ома в дифференциальной форме связывает плотность тока j и удельную электрическую проводимость r в зависимость j = rE, можно записать:
j = -rgradU (3) После интегрирования уравнения 3 получаем
И = Sdl (4) где: И - разность потенциалов на электродах М и N;
S - электрический параметр, эквивалентный кажущейся электрической проводимости, равный S = j/r;
l - расстояние между электродами М и N.Considering that Ohm's law in differential form relates the current density j and electrical conductivity r to the dependence j = rE, we can write:
j = -rgradU (3) After integrating equation 3, we obtain
And = Sdl (4) where: And is the potential difference at the electrodes M and N;
S is an electrical parameter equivalent to the apparent electrical conductivity equal to S = j / r;
l is the distance between the electrodes M and N.

Решение уравнения 4 дает детальное описание распределения информативного электрического параметра S, а знание величин j и r позволит определить мощность Н пород неустойчивой кровли:
H = jr (5)
Как способ, наиболее эффективный при определении мощности трещиноватой кровли, предлагаемый способ практически реализован при картировании ложной (неустойчивой) кровли на выемочном столбе 10 восточной лавы пласта 12в на шахте 7/8 Хрустальская производственного объединения по добыче угля "Донбассантрацит".The solution of equation 4 gives a detailed description of the distribution of the informative electric parameter S, and knowledge of the quantities j and r will determine the power H of the rocks of the unstable roof:
H = jr (5)
As the method that is most effective in determining the thickness of a fractured roof, the proposed method is practically implemented when mapping a false (unstable) roof on the excavation column 10 of the eastern lava of the 12v formation at mine 7/8 Khrustalskaya of the Donbassanthracit coal production association.

Геологической службой шахты поставлено задание определения мощности ложной кровли в пределах указанной лавы. Ложная кровля представляет собой породы сланца глинистого мощностью 0,6 м местами до 1,5-2 и более метров, залегающие непосредственно над угольным пластом. Над породами ложной кровли залегает пропласток угля, который определяет отсутствие сцепления и, следовательно, интенсивное вывалообразование пород кровли. Электрическое сопротивление пород кровли в несколько раз меньше, чем сопротивление пласта угля и угольного прослоя. The geological service of the mine is tasked with determining the thickness of the false roof within the specified lava. The false roof is clay shale rocks with a thickness of 0.6 m in places up to 1.5-2 and more meters, occurring directly above the coal seam. Over the rocks of the false roof lies a layer of coal, which determines the absence of adhesion and, consequently, the intensive dumping of the rocks of the roof. The electrical resistance of the roof rocks is several times less than the resistance of the coal seam and the coal bed.

Для проведения исследований на оконтуривающих исследуемый массив противоположных горных выработках были подготовлены места заземлений электродов. При этом измерительный электрод М заземлялся на 8 восточном конвейерном уклоне, а второй измерительный электрод - N - в 1 северном вентиляционном штреке. Один токовый электрод А заземлялся рядом возле электрода М в 8 вост. уклоне, а злектрод В заземлялся и конце 1 северного вентиляционного штрека на расстоянии более 2,5 км от места заземления электрода N (фиг. 12). На 8 вост. уклоне пара электродов А и М размещались фиксированно, а при помощи электрода N производились измерения на 1 сев. вент. штреке. При выполнении определенного количества измерений электроды А и М передвигались на следующую точку и измерения при помощи электрода N повторялись. To conduct studies on the contours of the investigated array of opposite mine workings, the grounding areas of the electrodes were prepared. In this case, the measuring electrode M was grounded on the 8th eastern conveyor slope, and the second measuring electrode - N - in 1 northern ventilation drift. One current electrode A was grounded nearby near electrode M at 8 ost. slope, and the electrode B was grounded and the end 1 of the northern ventilation drift at a distance of more than 2.5 km from the grounding electrode N (Fig. 12). On the 8th east. on the slope of the pair of electrodes A and M were fixed, and with the help of electrode N measurements were made for 1 sowing. vent. drift. When performing a certain number of measurements, electrodes A and M moved to the next point and measurements using electrode N were repeated.

Все электроды заземлялись в кровлю. All electrodes were grounded to the roof.

После обработки материалов исследований на ЭВМ получен результат, показанный на фиг. 13. Видно, что общая мощность ложной кровли увеличивается от 1 сев. вент. штрека до 8 вост. уклона, достигая там величин в несколько метров. В середине выемочного столба наблюдается резкое изменение мощности ложной кровли, что особенно хорошо просматривается на аксонометрии изучаемого объекта. After processing the computer research materials, the result shown in FIG. 13. It is seen that the total thickness of the false roof increases from 1 sowing. vent. drift to 8 east. slope, reaching there a few meters. In the middle of the excavation column, a sharp change in the thickness of the false roof is observed, which is especially clearly visible on the axonometry of the studied object.

Следует отметить, что постоянная карта изомощностей ложной кровли достаточно хорошо увязывается с данными вдоль 9 восточного конвейерного уклона, что свидетельствует о высоком качестве выполненной работы. It should be noted that the permanent map of the false roof isomotivity is quite well linked with the data along the 9th eastern conveyor slope, which indicates the high quality of the work performed.

Ни один из известных способов не обеспечивает картирование ложной кровли пласта угля по всей площади выемочного столба с такой степенью детальности. None of the known methods provides mapping of a false roof of a coal seam over the entire area of a mining column with such a degree of detail.

Claims (1)

СПОСОБ ГЕОЭЛЕКТРОТОМОГРАФИИ НЕУСТОЙЧИВОЙ КРОВЛИ УГОЛЬНЫХ ПЛАСТОВ, при котором в двух горных выработках заземляют токовые электроды A и B и измерительные электроды M и N, возбуждают электрическое поле через токовые электроды A и B, измеряют его величину через измерительные электроды M и N, при этом перемещают электроды по заданной схеме, отличающийся тем, что, с целью повышения точности и достоверности прогнозирования путем обеспечения детального описания распределения свойств пород в зонах неустойчивой кровли угольных пластов, все электроды заземляют в низкоомные породы кровли, измерительные электроды M и N заземляют в разных горных выработках, токовый электрод A заземляют рядом с измерительным электродом M, токовый электрод B заземляют в той же горной выработке, в которой заземлен измерительный электрод N на расстоянии, в несколько раз большем, чем расстояние между измерительными электродами M и N, и измерения электрического поля производят, одновременно изменяя расстояния между электродами M и N. METHOD FOR GEOELECTROMOTOGRAPHY OF UNSTABLE COAL ROOF BLOOD, in which current electrodes A and B and measuring electrodes M and N are grounded in two mines, they excite an electric field through current electrodes A and B, and measure its value through measuring electrodes M and N, while according to a given scheme, characterized in that, in order to improve the accuracy and reliability of forecasting by providing a detailed description of the distribution of rock properties in the zones of unstable roofing of coal seams, all electro s are grounded in low-resistance rocks of the roof, measuring electrodes M and N are grounded in different mine workings, current electrode A is grounded near the measuring electrode M, current electrode B is grounded in the same mine in which measuring electrode N is grounded several times greater than the distance between the measuring electrodes M and N, and measurements of the electric field are performed while changing the distances between the electrodes M and N.

Images