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

Изобретение относится к горному делу и предназначено для контроля напряженного состояния массива горных пород.

Известен способ определения напряженного состояния массива горных пород, включающий отбор образцов, их механическое нагружение с постоянной скоростью, регистрацию и анализ изменения физико-механических характеристик образцов в процессе нагружения 1.

В указанном способе о величине действующих в массиве напряжений судят по нагрузке, соответствующей моменту скачкообразного увеличения градиента интенсивности акустической эмиссии.

Недостатком известного способа является его сложность, связанная с необходимостью создания и поддержания акустического контакта между образцом и преобразователем в процессе измерений.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является способ определения напряженного состояния массива горных пород, включающий отбор образцов, их механическое нагружение с постоянной скоростью и регистрацию амплитуды импульсов электромагнитной эмиссии образца, в процессе нагружения 2.

Однако известный способ обладает малой информативностью, поскольку не позволяет определить абсолютное значение действующих в массиве напряжений.

Целью изобретения является повышение точности и объема информации о действующих в массиве напряжениях за счет определения их абсолютных значений.

Указанная цель достигается тем, что согласно способу определения напряженного состояния массива горных пород, основанному на изменении напряженного состояния образцов горных пород путем механического нагружения и регистрации импульсов электромагнитной эмиссии в процессе нагру жения, механическое нагружение образцов осуществляют с постоянной скоростью, измеряют амплитуду импульсов электромагнит ной эмиссии, определяют их среднюю ампли туду, регистрируют момент появления импульса, амплитуда которого более чем на порядок превыщает среднюю амплитуду импульсов электромагнитной эмиссии, и по величине нагрузки, соответствующей этому моменту, судят о величине напряженного состояния массива горных пород.

Физические предпосылки изобретения заключаются в следующем.

Горнь1е породы-диэлектрики, минералы которых имеют кристаллическую структуру, обладают объемной поляризацией, которая связана с генезисом пород и активной деятельностью человека, и объясняется наличием заряженных дефектов в структуре кристаллической рещетки. Нагружение таких пород сопровождается электромагнитной эмиссией, в виде коротких высокочастотных импульсов, возникающих, например, в результате движения под действием нагрузки и выхода на поверхности трещин заряженных дефектов, и в первую очередь, дислокаций. Движение дислокаций в горных породах затруднено наличием других дефектов- винтовых дислокаций, вакансий и междуузельных ионов, концентрация которых зависит от термодинамического состояния, в котором находятся горные породы в массиве, в частности от их напряженно-деформированного состояния.

При неизменных условиях большая часть дислокаций обволакивается облаками точечных дефектов, которые тормозят движение дислокаций и закрепляют их в кристаллической решетке. Таким образом, количество закрепленных дислокаций в горных породах зависит от давления 1 , которому подвергаются горные породы в массиве.

В процессе нагружения образца горной породы, отобранного из области массива, в которой действует давление 1 , при достижении нагрузки происходит отрыв ранее связанных дислокаций от окружающих их облаков и движение этих дислокаций к поверхности трещин. Поскольку оторванные дислокации являются носителями зарядов, то их движение и выход на поверхность трещин или на границу зерен сопровождается электромагнитным импульсом значительной амплитуды.

Таким образом, обнаруженные закономерности изменения амплитуды импульсов электромагнитной эмиссии образцов горных пород при их нагружении позволяют определять величину действовавщих в массиве напряжений.

На фиг. 1 представлена одна из возможных схем реализации способа, на фиг. 2 - зависимости изменения амплитуды импульсов электромагнитной эмиссии от величины давления на образец.

Способ осуществляется следующим образом.

Образец горной породы 1, извлеченный из массива, помещают между плитами пресса 2. Затем образец сжимают при постоянной скорости нагружения, уровень которого измеряют динамометром 3. Возникающие при этом импульсы электромагнитной эмиссии принимают ферритовой антенной 4, размешенной вблизи образца, усиливают усилителем 5 и подают на вход детектора 6. Сигнал с детектора, пропорциональный амплитуде импульсов электромагнитной эмиссии, регистрируют совместно с показаниями динамометра 3 при помощи двухкоординатного самописца 7. Для уменьщения влияния электромагнитных помех образец и антенну помещают в экран 8.

На фиг. 2 показано характерное изменение амплитуды импульсов электромагнитной эмиссии образца 1 при возрастании давления Р. Линейное увеличение давления Р до значения, PI 150 кг/см , соответствующего давлению, действовавщему на образец

в массиве, не приводит к появлению импульсов значительной амплитуды.

Средняя амплитуда импульсов электромагнитного фона в процессе нагружения используется при сравнении с величиной отдельных импульсов электромагнитной эмиссии. При достижении давлением, создаваемым прессом, уровня Р наблюдается импульс электромагнитной эмиссии величиной более, чем на порядок превышающей среднюю амплитуду импульсов электромагнитного фона.

Проводят эксперименты на образцах различных горных пород (мраморах, известняках, соляных горных породах и др.). Образцы в виде кубиков размерами 50х х50х50 мм выдерживают в течение нескольких часов под нагрузкой Р„, а затем разгружают. Далее образцы вновь подвергают линейно возрастающему нагружению с одновременной регистрацией амплитуды импульсов электромагнитной эмиссии. В процессе нагружения регистрируют электромагнитный фон помех и определяют среднюю амплитуду импульсов фона. Эксперименты показывают, что при достижении давления на образец, равного РН наблюдается импульс электромагнитной эмиссии на порядок и более превосходящий среднюю амплитуду импульсов фона. Исследования показывают что память «горных породно воздействовавщих на них нагрузках сохраняется в течение нескольких (3-5) ч после извлечения из массива (снятие нагрузки).

По сравнению со способом-прототипом предлагаемый способ позволяет повысить объем информации о действующих в массиве напряжениях за счет определения их абсолютных значений.

Предлагаемый способ реализуется с помощью серийно выпускаемой аппаратуры и по сравнению с базовым объектом - способом определения величины напряжения в массиве горных пород (за который принят способ разгрузки керна с центральной скважиной) позволяет получить расчетный годовой экономический эффект 10,25 тыс. руб.

СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ МАССИВА ГОРНЫХ ПОРОД, основанный на изменении напряженного состояния образцов горных пород путем механического нагружения и регистрации импульсов электромагнитной эмиссии в процессе нагружения, отличающийся тем, что, с целью повышения точности и информативности измерения, механическое нагружение образцов осуществляют с постоянной скоростью, измеряют амплитуду импульсов электромагнитной эмиссии, определяют их среднюю амплитуду, регистрируют момент появления импульса, амплитуда которого более чем на порядок превышает среднюю амплитуду импульсов электромагнитной э.миссии, и по величине нагрузки, соответствующей этому моменту, судят о величине напряженного состояния массива roptibix пород. S

Р,кг/см