СПОСОБ ПРОГНОЗА РАЗРУШЕНИЯ МАССИВА ГОРНЫХ ПОРОД Российский патент 2004 года по МПК E21C39/00 

Изобретение относится к горному делу и может быть использовано для прогноза и контроля разрушения в массивах горных пород при вывалах, заколах, расслоениях и динамических проявлениях в массивах, опасных для жизни горнорабочих, при изменении его напряженно-деформированного состояния (НДС).

Известен способ прогноза разрушения массива горных пород по а.с. СССР №1562449, кл. Е 21 С 39/00, опубл. в БИ №17 за 1990 г., который включает регистрацию во времени эмиссионных импульсов в массиве, определение частоты их максимума спектральной плотности, измерение амплитуд максимальной спектральной составляющей, определение скорости изменения амплитуд по времени и по частоте и по одновременному уменьшению обеих скоростей определяют начало разрушения массива, при этом в качестве эмиссионных импульсов регистрируют импульсы электромагнитного излучения (ЭМИ).

Недостатком этого способа является то, что количество импульсов ЭМИ, регистрируемых в массиве, не всегда является определяющей характеристикой при прогнозировании динамических проявлений в массивах, т.к. их возникновение может быть связано, в том числе, с разгрузкой напряжений на участке массива, что, в свою очередь, не влечет за собой катастрофических последствий, а наоборот является профилактическим мероприятием для снятия повышенных напряжений в массиве и предотвращения разрушения. Другим недостатком является то, что, хотя разгрузка массива и характеризуется повышенными амплитудами сигналов ЭМИ, но это не является опасным с точки зрения обеспечения безопасности труда на подземных горных предприятиях, т.к. уровень напряжений в массиве находится под контролем служб предупреждения и прогноза динамических проявлений шахт и рудников, когда могут иметь место локальные контролируемые незначительные разрушения, не опасные для жизни горнорабочих.

Наиболее близким к предлагаемому способу по технической сущности и достигаемому результату является способ контроля нарушения сплошности массива горных пород по а.с. СССР №1101552, кл. Е 21 С 39/00, опубл. в БИ №25 за 1984 г., основанный на регистрации импульсов ЭМИ, в котором измеряют их длительность, выделяют импульсы с длительностью, более чем на порядок превышающие эталонную, и по их появлению судят о возникновении расслоения - нарушении сплошности массива горных пород, после которого наступает разрушение.

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

В предлагаемом способе поставлена техническая задача по повышению точности прогноза разрушения массива горных пород за счет дополнительной регистрации начала и развития периодических низкочастотных колебаний сигналов ЭМИ, которые подтверждают приближающееся разрушение массива, определяемое предварительно известным способом.

Поставленная задача решается тем, что в способе прогноза разрушения массива горных пород, включающем регистрацию сигналов ЭМИ и измерение длительностей этих сигналов, согласно техническому решению дополнительно регистрируют начало возникновения периодических низкочастотных колебаний сигналов ЭМИ, определяя начало потери сплошности массива, при этом по увеличению длительностей периодов этих колебаний во времени и/или их амплитуд судят о развитии процесса потери сплошности, а при соотношении

Т₂ ≥ (2÷4)T₁,

где T₂ и T₁ - соответственно длительности последующего и начального периодов периодических низкочастотных колебаний указанных сигналов, и/или при соотношении

А₂ ≥ 3A₁,

где А₂ и А₁ - соответственно амплитуды последующего и начального периодических низкочастотных колебаний этих сигналов, судят о критическом состоянии потери сплошности массива, после которого наступает его разрушение.

Регистрация начала возникновения периодических низкочастотных колебаний сигналов ЭМИ свидетельствует о том, что в массиве возникают значительные по своим размерам магистральные трещины, что предопределяет скорое разрушение участка массива. Увеличение длительностей периодов этих колебаний во времени и/или их амплитуд позволяет проследить развитие процесса разрушения, т.е. процесса прорастания магистральных трещин, их ветвление и т.д., что детализирует степень развития процесса потери сплошности массива и конкретизирует переход с этапа начала потери сплошности к этапу развития процесса потери сплошности, полученную информацию о приближении процесса потери сплошности. Далее регистрация изменения параметров периодических низкочастотных колебаний сигналов ЭМИ - длительностей их периодов и амплитуд, а именно их одновременное либо попеременное увеличение, свидетельствует не только о развитии самих магистральных трещин, но и их ветвлении, что детализирует степень развития процесса потери сплошности и развивает его. Это делает массив еще более раздробленным и, следовательно, еще более приближает процесс его разрушения. Регистрация, дальнейшего увеличения длительностей периодов низкочастотных колебаний сигналов ЭМИ и/или их амплитуд свидетельствует о том, что длительности периодов и/или амплитуды периодических низкочастотных сигналов ЭМИ еще более возрастают и достигают критических пределов при соотношениях

T₂ ≥ (2÷4)T₁; A₂ ≥ 3A₁,

следовательно, размеры отдельных участков массива, разделенные между собой магистральными и ветвящимися трещинами, также достигают критических пределов, т.е. стадия предразрушения достигает третьего критического этапа. При превышении вышеприведенных соотношений происходит потеря сплошности массива, заключающаяся в разделении его на отдельные части. Это в совокупности с перечисленными операциями позволяет определить более точно момент начала разрушения массива на отдельные части и таким образом решить поставленную задачу.

Сущность технического решения поясняется примером реализации способа и чертежом, на котором представлены синхронные осциллограммы сигналов ЭМИ (верхняя осциллограмма) и нагрузки (нижняя осциллограмма). Часть I верхней осциллограммы иллюстрирует наличие высокочастотных сигналов ЭМИ; часть IIа - начало возникновения малоамплитудных периодических низкочастотных колебаний сигналов ЭМИ, когда участок массива под действием напряжений еще не разрушается, т.е. массив “держит нагрузку”, однако именно начало возникновения этого вида колебаний является началом потери сплошности участка массива; часть IIб иллюстрирует, что в участке массива продолжают развиваться системы трещин, т.е. развивается процесс потери сплошности, что характеризуется увеличением длительностей и/или амплитуд периодических низкочастотных колебаний сигналов ЭМИ; часть IIв иллюстрирует, что участок массива находится на пределе прочности и начинает постепенно разрушаться, т.е. происходит снижение несущей способности участка массива (осциллограмма нагрузки), что на осциллограмме ЭМИ отображается в виде достижения длительностями периодов периодических низкочастотных колебаний сигналов ЭМИ, а также их амплитудами критических соотношений: Т₂ ≥ (2÷4) T₁; A₂ ≥ 3A₁; часть III иллюстрирует, что исследуемый участок массива уже не существует как единое целое и разделен на части.

Предлагаемый способ реализуют следующим образом. На исследуемом участке массива горных пород за определенные временные интервалы, например в течение 1 часа, непрерывно регистрируют сигналы ЭМИ в диапазоне частот, например, от 100 Гц до 250 кГц и производят измерения длительностей этих сигналов. Длительности этих сигналов достигают величин, например, от 0,1 мс до 0,01 мс. Затем в массиве горных пород, например, под механическим воздействием на них происходит перераспределение напряжений, что изменило структуру сигналов ЭМИ: из стационарного процесса с регистрацией одиночных относительно высокочастотных сигналов ЭМИ (см. чертеж, часть I) процесс переходит в периодический низкочастотный процесс излучения электромагнитных сигналов (см. чертеж, часть IIа), когда начинают возникать периодические низкочастотные колебания сигналов ЭМИ, параметры которых принимают значения: длительности периодов - от 0,5 до 1 мс; амплитуды: от 80 мкВ до 200 мкВ. Затем при своем дальнейшем развитии эти параметры увеличиваются и принимают значения: длительности T₁ = от 10 мс до 50 мс, а амплитуды этих сигналов а₁ - от 2 мВ до 80 мВ (см. чертеж, часть IIб). Однако при этом потери сплошности массива еще не произошло, хотя магистральные трещины на стенках выработки уже видны. После этого производят еще одно механическое воздействие на исследуемом участке массива и структура периодических низкочастотных сигналов ЭМИ изменяется следующим образом.

Длительности периодов этих колебаний еще больше увеличиваются и принимают критические значения, например, Т₂~300 мс ≥(4×50 мс) (см. чертеж, часть IIв), а амплитуды этих колебаний увеличиваются до А₂~500 мВ ≥(3×80 мВ), по которым судят о критическом состоянии участка массива и прогнозируют его разрушение, при этом происходит потеря сплошности исследуемого участка массива. Таким образом, при возникновении в сигналах ЭМИ периодических низкочастотных колебаний, при последующем увеличении длительностей периодов и амплитуд этих колебаний и достижении последними критических соотношений производят прогноз разрушения массива горных пород.

Предлагаемое техническое решение относится к горному делу и может быть использовано для прогноза и контроля разрушения в массивах горных пород при вывалах, заколах, расслоениях и динамических проявлениях в массивах, опасных для жизни горнорабочих, при изменении его напряженно-деформированного состояния. Задачей изобретения является повышение точности прогноза разрушения массива горных пород. Способ прогноза разрушения массива горных пород, включающий регистрацию сигналов электромагнитного излучения и измерение длительностей этих сигналов, отличающийся тем, что дополнительно регистрируют начало возникновения периодических низкочастотных колебаний сигналов электромагнитного излучения, определяя начало потери сплошности массива, при этом по увеличению длительностей периодов этих колебаний во времени и/или их амплитуд судят о развитии процесса потери сплошности массива. При критических соотношениях, определяемых математическими выражениями по длительностям начального и последующего периодов периодических низкочастотных колебаний указанных сигналов и/или соответствующим им амплитудам, судят о критическом состоянии потери сплошности массива, после которого наступает его разрушение. 1 ил.

Способ прогноза разрушения массива горных пород, включающий регистрацию сигналов электромагнитного излучения и измерение длительностей этих сигналов, отличающийся тем, что дополнительно регистрируют начало возникновения периодических низкочастотных колебаний сигналов электромагнитного излучения, определяя начало потери сплошности массива, при этом по увеличению длительностей периодов этих колебаний во времени и/или их амплитуд судят о развитии процесса потери сплошности массива, а при соотношении

Т₂ ≥ (2÷4) T₁,

где Т₂ и T₁ - соответственно длительности последующего и начального периодов периодических низкочастотных колебаний указанных сигналов,

и/или при соотношении

A₂ ≥ 3 A₁,

где А₂ и A₁ - соответственно амплитуды последующего и начального периодических низкочастотных колебаний этих сигналов,

судят о критическом состоянии потери сплошности массива, после которого наступает его разрушение.