Способ определения напряженного состояния массива горных пород Советский патент 1984 года по МПК E21C39/00 

ас

0 О1

Фиг.1

о Изобретение относится к горному делу и предназначено для определения напряжен ного состояния массива горных пород. Известен способ определения напряжений в массиве горных пород, включающий отбор образцов, их механическое нагружение и регистрацию их физико-механических характеристик в процессе нагружения. В известном способе в качестве характеристики образца опрделяют его водонасыш,енность, а о напряжениях в массиве судят по нагрузке, соответствующей появлению влаги из образца 1. Недостатком данного способа является то, что он может применяться только для водонасыщенных пород, например бурого угля. Известен способ определения остаточных напряжений,включающий нагружение контролируемого и эталонного образца, регистрацию интенсивности акустической эмиссии в зависимости от напряжений в образцах и определение величины остаточных напряжений по разности напряжений, соответствующих первым сигналом акустической эмиссии материала в контролируемом и эталонном изделиях 2. Однако данный способ не может быть применен для контроля напряженного состояния массива горных пород, поскольку предусматривает наличие эталонного образца, неиспытавщего нагрузок. Кроме того, известный способ не позволяет определять величину полных, абсолютных напряжений, действовавших на образец. Известен также способ определения напряжений в массиве горных пород, основанный на измерении механического нагружения с постоянной скоростью и определения величины нагрузки, соответствующей изменению напряженного состояния образца. В этом способе-прототипе о напряженном состоянии массива судят по изменению электрической проводимости образца горной пО роды 3. Недостатком данного способа является низкая точность измерений напряженного состояния связанная с влиянием ряда мещающих факторов, например влажности и контактных условий между электродами и поверхностью образца. Цель изобретения - повыщение точности измерений. Указанная цель достигается тем, что согласно способу определения напряженного состояния массива горных пород, основанному на измерении напряженного состояния образцов горных пород путем их механического нагружения с постоянной скоростью и определении величины нагрузки, соответствующей изменению характеристики напряженного состояния образца, определяют градиент интенсивности акустической эмиссии по моменту его скачкообразного увеличения судят о напряженном состоянии массива горных пород. Физические предпосылки предлагаемого изобретения заключаются в следующем. Деформирование горных пород приводит к возникновению акустической эмиссии, источником которой является процесс трещинообразования, т. е. возникновение двумерных дефектов структуры. В свою очередь, образование этих двумерных дефектов связано с движением одномерных дефектов структуры - дислокаций. Дислокация, выходя на поверхность двумерного дефекта (трещина) способствуют его прорастанию и выделяют часть своей энергии в виде акустических сигналов. Таким образом, процесс возникновения акустической эмиссии связан с движением в твердом теле дислокаций, выходящих на поверхность двумерного дефекта. Движение дислокаций в дефектном твердом теле, таком как например горные породы, затруднено наличием других дефектов- винтовых дислокаций, вакансий, и междуузельных ионов, концентрация которых зависит от конкретных термодинамических условий, в которых находится твердое тело, например от давления и температуры. При неизменных условиях часть дислокаций обволакивается облаками точечных дефектов, которые тормозят движение дислокаций и закрепляют их в кристаллической рещетке. Таким образом, количество закрепленных дислокаций в горных породах зависит от давлений Rj , которому подвергаются горные породы в массиве. Нагружение образца горной породы. отобранного из массива, в котором действует давление Р , сопровождается акустической эмиссией, интенсивность которой при нагрузках Р Р обусловлена движением свободных, незакрепленных ранее дислокаций. этом приращение интенсивности акустической эмиссии на единицу изменения давления, т. е. градиентинтенсивности акустической эмиссии остается постоянным. При нагрузках , происходит отрыв ранее связанных дислокаций от окружающих их облаков и движение этих дислокаций к поверхности трещины, что приводят к скачкообразном изменению градиента интенсивности акустической эмиссии. Таким образом, обнаруженная закономерность скачкообразного изменения градиента интенсивности акустической эмиссии позволяет определять абсолютную величину действовавщих в массиве напряжений по измерениям на образцах. Известные же методы исследования напряженного состояния с использованием акустической эмиссии позволяют определять только изменение напряжений, т. е. проводить относительную оценку и не позволяют определить численные значения абсолютных напряжений в массиве горных пород. Кроме того, по сравнению со способомпрототипом, предлагаемый способ позволяет повысить точность измерений напряженного состояния массива, поскольку градиент интенсивности акустической эмиссии не зависит от изменения влажности, контактных условий и т. д. Проводят эксперименты на образцах различных горных пород (мраморах, известняках, соляных горных породах и др.), которые выдерживают в течение нескольких часов под нагрузкой Р, а затем разгружают. Далее образцы вновь подвергают линейно возрастающему нагружению с одновременной регистрацией градиента интенсивности акустической эмиссии .При достижении давления на образец равного Ру наблюдается скачкообразное увеличение градиента интенсивности акустической эмиссии. Эксперименты показывают, что «память горных пород о воздействовавших на них давлениях сохраняется в течение нескольких (3-5) ч после снятия нагрузок (извлечения из массива). На фиг. 1 представлена одна из возможных схем реализации способа; на фиг. 2 - зависимость градиента акустической эмиссии от приложенных напряжений. Способ осуществляют следующим образом. Образец горной породы 1, извлеченный из массива, подвергают сжатию с помощью пресса 2 с постоянной скоростью нагружения, уровень которого Р измеряют динамометром 3. Возникающие при этом сигналы акустической эмиссии принимаются пьезопреобразователем 4, усиливаются усилителем 5 и подаются на вход интегратора 6. Сигнал с интегратора 6, пропорциональный интенсивности акустической эмиссии, поступает на вход дифференциального усилителя 7, на выходе которого появляется сигнал, пропорциональный градиенту интенсивности акустической эмиссии. Показания динамометра 3 и дифференциального усилителя 7 регистрируется совместно с помощью двухкоординатного самописца 8. На фиг. 2 показано характерное изменение градиента интенсивности акустической эмиссии Щ, образца 1 при возрастании давления Р. Линейное увеличение давления Р до значения PI 180 кг/см 2, соответствующего давлению, действовавшему на образец в массиве, не приводит к изменению градиента интенсивности акустической эмиссии. При превышении давлением,создаваемым прессом уровня Р, наблюдается скачкообразное увеличение градиента И интенсивности акустической эмиссии. Предлагаемый способ реализуется с помощью простой, выпускаемой серийно аппаратуры и его технико-экономический эффект определяется указанными выше преимуществами.

СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ МАССИВА ГОРНЫХ ПОРОД, основанный на измерении напряженного состояния образцов горных пород путем и.х механического нагружения с постоянной скоростью и определении величины нагрузки, соответствующей изменению характеристики напряженного состояния образца, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерения, определяют градиент интенсивности акустической эмиссии и по моменту его скачкообразного увеличения судят о напряженном состоянии массива горных пород. (Л