Способ возбуждения упругих волн в массиве горных пород Советский патент 1985 года по МПК E21C39/00 G01V3/12 

(руг. 7 1 H3o6peTenftie относится к горному делу и может быть использовано для возбуждения упругих волн при контроле свойств и состояния массива горных пород. Цель изобретения - повышение стабильности возбуждения и управление характеристиками возбуждаемых упругих волн. На фиг, 1 представлена схема реализации данного способа; на фиг,24 - возможные варианты создания, электропроводящей области массива; на фиг. 5 - экспериментально получе ная зависимость относительной ампли туды А возбуждаемой волны от рассто ния методу внешним возбудителем квазистационарного импульсного магнитного поля (индуктором) и электропро водящей областью L массива; на фиг. экспериментально полученная зависимость относительной амплитуды возбу даемой в массиве упругой волны от разрядного напряжения батареи конденсаторов накопительного устройства; на фиг. 7 - экспериментальная зависимость относительного изменени длительности упругого импульса, воз никающего в массиве, от емкости кон денсаторов накопительного узла. Способ осуществляется следующим образом. В локальном участке массива 1 со дают электропроводящую область 2 с проводимостью не менее (Ом-м) рядом с которой на расстоянии L 0 20 мм располагают индуктор 3, на который производят разряд запасенно в накопительном узле 4 электроэнергии. Накопительный узел 4 представляет собой например, батарею конден саторов . Длительность и амплитулу разрядного импульса с накопительного узла 4 регулируют блоком 5 управления путем коммутирования различного количества конденсаторов на копительного узла 4 и изменения зарядного напряжения на них. В результате разряда конденсаторов накопительного узла 4 на катушку индуктора 3 в электропроводящей области 2 создается импульсное квазистационарное магнитное поле, что приводит к возникновению в области вихревых токов, взаимодействие магнитного поля которых с магнитным по лем индуктора 3 обусловливает появление механических напряжения 042 в локальном участке массива 1 , прилегающего к электропроводящей области 2. Последние приводят к образованию упругих волн в массиве 1. Проводимость электропроводящей области должна быть не ниже 2 10 (Ом. мХ, так как в противном случае (как показали экспериментальные исследования) уменьшается амплитуда возбуждаемых упругих волн, в результате уменьшения наводимых в области 2 вихревых токов. Амплитуду возбуждаемой упругой волны регулируют путем изменения расстояния между индуктором 3 и проводящей областью 2 в диапазоне О - 20 мм, что приводит к уменьшению амплитуды излучаемой волны в 15-20 раз (фиг. 5). Кроме того, амплитуду возбуждаемой волны регулируют, изменяя разрядное напряжение конденсаторов накопительного узла 4. Увеличение разрядного напряжения от 900 до 1600 В приводит к увеличению амплитуды возбуждаемой упругой волны примерно в 6 раз (фиг. 6). Длительность возбуждаемого упругого импульса регулируется путем изменения с помощью блока 5 управления величины емкости конденсаторов накопительного узла 4. При этом длительность импульса Изменяется пропорционально корню квадратному из величины емкости накопительных конденсаторов (фиг. 7) . . Электропроводящую область .создают, например, путем образования на поверхности массива 1 локальной полости 6 и закрепления в ней металлической пластины 7 с помощью анкеров 8 и 9 и цементного раствора 10 (фиг. 2). Оптимальная толщина электропроводящей области 2-1 1050 мм, так как при толщине менее 10 мм существенно падает амплитуда возбуждаемой упругой волны на низких частотах,где -толщина электропроводящей области становится меньше скин-слоя: где U - толщина скин-слоя; - абсолютная магнитная проницаемость;С - проводимость; Ш - кругоЕзая частота.

3

Увеличение толщины электропроводящей области более 50 мм нецелесообразно, так как это не приводит к дальнейшему увеличению амплитуды возбуждаемых упругих волн к усложняет технологию изготовления этой области.

Диаметр электропроводящей области d должен составлять 1,2-1,6 диаметров индуктора. Уменьшение диаметра электропроводящей области менее 1,2 диаметров индуктора нецелесообразно, так как это приводит к уменьшению амплитуды возбуждаемых упругих волн в связи с тем, что часть энергии магнитного поля будет рассеиваться в окружающих породах j не взаимодействуя с электропроводящей областью мальрс размеров. Увеличение диаметра электропрово- дящей области более 1,6 Е| индуктора не приводит к возрастанию амплитуды возбуждаемых упругих волн, но усложняет технологию изготовления данной области. Пластина 7 может закрепляться и непосредственно на поверхности массива, однако при этом несколько снижается жесткость

её в связи с массивом что приводит к уменьшению излучаемой мощност

Электропроводящая область 2 (фиг.З) может быть также создана путем образования на поверхности массива 1 полости 6, в которую помещают коротОсозамкнутую электропроводящую катушку It, плоскость витков которой параллельна свободной поверхности массива 1, заливаемую затем отвердевающим компаундом 12. Катушка изготавливается из металлической проволоки с хорошей провбди950044

местью, например медной,, и должна по своим геометрическим и намоточным характеристикам, Kai показали экспериментальные исследования, быть 5 подобной катушке индуктора 3. Например, катушка 11 с внутренним диаметром 2,5 см и внешним диаметром 5 см может содержать 50 витков медного провода диаметром 2 мм. Изготовление указанной электропрово10дящей области несколько сложнее, чем Описанной выше, однако такой способ изготовления электропроводящей области позволяет возбудить упругие волны с большими на 20-30%

5 амплитудами, что объясняется увеличением индуктивности электропроводящей области, а следовательно, и напряженности магнитйого поля самоиндукции .

0

Электропроводящая область 2 (фиг. 4) может быть вьтолнена в виде клина 13, одна сторона которого расположена вдоль свободной поверхности массива, а другая образует с

5 ней угол 45 , при этом линейные размеры плоскости клина, параллельной свободной поверхности массива, должны быть такими же, как у области, изображенной на фиг. 2, т.е.

0 составлять 1,2-1,6 диаметра индуктора .

Использование такой формы электропроводящей области позволяет возбуждать интенсивную сдвиговую

5 волну, распространяющуюся в направлении, нормальном свободной поверхности массива, которая создается тангенциальной компонентой F, возбуждаемой механической силой F (фиг. 4).

1. СПОСОБ ВОЗВУВДЕНИЯ УПРУГИХ ВОЛН В МАССИВЕ ГОРНЫХ ПОРОД, включающий создание в локальной области массива горных пород механических напряжений, отличающийся тем, что, с целью повьшения стабильности возбуждения и управления характеристиками возбуждаемых упругих волн, в локальной области создают электропроводящую область с проводимостью не менее 2-10 (Ом..м)и воздействуют на нее импульсным квазистационарным .. магнитным полем, а управление характеристиками возбуждаемых упругих волн производят путем регулирований величины и длительности импульса напряженности возбуждающего магнитного поля. 2.Способ по п. 1, о т л и ч а ю щ и и с я тем, что электропроводящую область создают путем образования полости, в которой закреп- ляют металлическую пластину толщиной 10 - 50 мм. 3.Способ по п. 1, отличающийся тем, что электропроводящую область создают путем образования полости, в которую помещаS ют короткозамкнутую электропроводящую катушку, плоскость витков кото(Л рой параллельна локальной области массива, а затем заливают полость твердеющим компаундом. 4.Способ ПОП.1, отличающийся тем, что электропроводящую область ВЕЛЮЛНЛЮТ в виде клина, одна сторона которого расположена вдоль локальной области СП сива, а другая образует с ней угол 45. У//1/// / 4: ///////// //У/////7///Л

10

к

fpus,2

1111

Фиг.З j/уУ/ ////// /лУ///.

t

Of 0.7 d,S Of Ofl 0.3 0,2

or

9 10 12 ff 1S 18 20

L,nfi (риг. 5 /хх УХ У/У jf 7/У У/ М/

А 6

5 ff 3 2

f

BOO WOO mo rwo mo

г J

2

U,9

фиг. 6