Способ контроля процесса деформации горных пород Советский патент 1986 года по МПК G01V11/00 

to

15

20

11278760

Изобретение относится к сейсмологии и может быть использовано для контроля процесса деформации блоков горных геологических пород и их отдельных участков.

Цель изобретения - повьппение экономичности и помехозащищенности измерений объемных зарядов,

На фиг.1 показан датчик для измерения объемных зарядов; на фиг.2 - принципиальная электрическая схема для измерения этих зарядов.

Способ основан на следующих предпосылках.

В природе непрерывно осуществляется биотический круговорот, заключающийся в том, что зеленые растения в процессе фотосинтеза создают органи- чес кие вещества, а бактерии и животные разрушают его.

Процесс фотосинтеза в растениях протекает в хлорофилле под действием солнечного света и сопровождается переносом электронов по электрон - ному каналу в клетках: от хлорофилла на неорганический углерод и из воды, движущейся от корней к листьям, на хлорофилл.

Обратный процесс - превращение органического вещества в неорганическое под действием бактерий и микроорганизмов - сопровождается также потоком электронов - биотоком. Причем жизнедеятельность бактерий и других микроорганизмов (размножение и дыхание) сопровождается переносом электронов от веществ-доноров к веществам-акцепторам. В качестве доноров для повсеместного распространенных аэробных и анаэробных бактерий являются сероводород, сернистьй газ, сульфид, теосульфат, двухвалентное железо и органические соединения (глюкоза, крахмал, нефть, лактат, мо25

35

40

Процесс движения электронов при фотосинтезе и обратного движения п разрушении органического вещества сит в природе замкнутый характер.

Солнечный свет поддерживает пос тоянный поток электронов в зеленых растениях, текущий от донора-воды клеткам хлорофилла, в которых элек троны соединяются с молекулами нео ганических элементов, образуя орга нические соединения, а положительн ионы воды выходят в атмосферу при испарении воды листьями растений.

Одновременно в почве бактерии лагают органическое вещество .с об зованием гидрид-иона и положитель го иона Н . Гидрид-ион участвует образовании ионизированной молеку С0, а положительный ион Н - мол Из почвы С0 попадает

30

кулы воды.

атмосферу, где отдает свой заряд ложительным ионам водяного пара. марное количество электрических з рядов, перешедших в атмосферу с С меньше, чем суммарное количество электрических зарядов, расходуемы растениями на создание биомассы в процессе фотосинтеза. Объясняется это тем, что солнечная энергия, консервированная в органическом ществе, при биологическом окислен расходуется как на сообщение энер активации гидрид-иону и положител ному иону водорода, так и на энер гию жизнедеятельности самих бакте То есть, количества энергии, расх дуемые на синтез и разложение орг нического вещества, неравны, соот ветственно и количества возбужден этой энергией электронов при фото синтезе и разложении неравны. Поэт му в атмосфере находится постоянны дефицит отрицательных ионов по отношению к положительным. Так в од

чевина и т.п.), а в качестве акцепто- ном кубическом сантиметре воздуха

ров - молекулярный кислород, аммиак, разнообразные ферменты, углекисльй газ и т.п.

Процесс переноса 3j:2KTpoHOB от указанных доноров к акцепторам является биологическим окислением, особенностью которого является одновременный перенос двух электронов и одного протона (Н ) в виде гидрид-иона на акцептор , второй протон переходит в раствор, в качестве которого наиболее часто служит вода.

o

5

0

5

5

0

Процесс движения электронов при фотосинтезе и обратного движения при разрушении органического вещества но сит в природе замкнутый характер.

Солнечный свет поддерживает постоянный поток электронов в зеленых растениях, текущий от донора-воды к клеткам хлорофилла, в которых электроны соединяются с молекулами неорганических элементов, образуя органические соединения, а положительные ионы воды выходят в атмосферу при испарении воды листьями растений.

Одновременно в почве бактерии разлагают органическое вещество .с образованием гидрид-иона и положительного иона Н . Гидрид-ион участвует в образовании ионизированной молекулы С0, а положительный ион Н - моле- Из почвы С0 попадает в

0

кулы воды.

атмосферу, где отдает свой заряд положительным ионам водяного пара. Суммарное количество электрических зарядов, перешедших в атмосферу с СО , меньше, чем суммарное количество электрических зарядов, расходуемых растениями на создание биомассы в процессе фотосинтеза. Объясняется это тем, что солнечная энергия, законсервированная в органическом веществе, при биологическом окислении расходуется как на сообщение энергии активации гидрид-иону и положительному иону водорода, так и на энергию жизнедеятельности самих бактерий. То есть, количества энергии, расходуемые на синтез и разложение органического вещества, неравны, соответственно и количества возбужденных этой энергией электронов при фотосинтезе и разложении неравны. Поэтому в атмосфере находится постоянный дефицит отрицательных ионов по отношению к положительным. Так в од

у поверхности земли содержится п ;750, п 650 штук.

Таким образом, как в поверхностном слое грунта, так и значительных глубинах 50-ШО мм в результате деятельности аэробных и анаэробных бактерий в любом замкнутом объеме грунта, а также на границе контакта различных геологических пород содержатся свободные электрические заряды.

На стыке двух геологических пород свободные электрические заряды появS

ляются не только в результате биохимических реакций, но и в результате различных поверхностных потенциалов и различной связи электронов в кристаллической решетке контактирующих пород.

Деформация грунта и геологических пород с различной плотностью вызывает изменение плотности свободных электрических зарядов на единицу объема, соответственно возникают перемещение этих зарядов и сопутствующее электромагнитное излучение.

Процесс выделения электронов в грунт под действием аэробных и анаэробных бактерий значительно усиливается в местах нахождения железа и его соединений. Как известно, в грунте наряду с хемоорганотрофными бактериями повсеместно распространены и совместно существуют сульфатореду- цирующие бактерии (Desulfovibrio), которые переводят железо в сернокислое в виде реакции AFe + SOJ + Fes + ЗГе(ОН),, . Образование сернокислого железа сопровождается усиленным потоком электронов от сероводорода к железу.

Проводят серии экспериментов по определению интенсивности генерации электрического тока различными образцами грунта и геологических пород взятых с различных глубин, и изменению величины генерируемого электрического тока при их деформации. Экспери278760

менты показьгеают, что имеет место звисимость биотока в образцах грунта от материала контактов.

Испытаниям подвергают образцы 5 грунта с глубин 0,1 и 50 м, а также образцы речного печка. Контактом-катодом при испытаниях служат пластины из стали Ст.5, контактом-анодом - пластины из Ст.З.

10 Площадь контактных поверхностей каждой из шести пластин варьируется в пределах 40,0-160,0 см . Оптимальное расстояние между пластинами устанавливается методом проб и равня- 15 ется 5,0 см.

Схема расположения пластин в грунте образующих датчик приведена на фиг.1.

При испытаниях применяют контакты 20 из различных материалов: Ст.З - Ст.З Ст.5 - Ст.З, Ст.З - медь, Ст.З - дюр ал оминий, Ст.З - IxlSHlO, IxlSHlO,- 1х18Н10.

Наивысший потенциал (0,67В) иве- 25 личина тока (250/и А) с образца, взятого с глубины 0,1 м, получены на контактах Ст.5 - Ст.З, несколько ниже (,60 В, I 245 А) отмечены на контактах Ст.З - IxlSHlO. 30 Результаты испытаний на величину генерации биотока в зависимости от материала контактов (испытуемый образец грунта при всех указанных испытаниях один и тот же) приведены в 35 табл. 1 .

Таблица I

Отмечена трансформация биотока при деформации грунта.

Испытаниям подвергаются образцы при +18 С. Электродами служат плас

тины из Ст.З - Ст.5. Деформация грунта производится ударным сжатием пластин поочередно в каждой из плоскостей X , V ,7, (фиг. 1) .

Величина трансформируемого напряжения на вторичной обмотке трансформатора при деформации грунта измеряется милливольтметром, а также определяется по срабатыванию пороге- вого устройства, которое включает в себя усилитель на транзисторах, исполнительное реле, сигнальную лам- почку и звонок. При возникновении де- формагф н образца, осуществляемой его сжатием, пороговое устройство подает сигнал на исполнительное реле, последнее включает сигнальную лампочку и звонок.

Кроме этого, проводятся испытания, при которых электродом служит гранит - известняк. Пространство между неровностями электродов (камней) заполняется смесью глины и песка.

Эти испытания показывают, что воз- 20 бота, F - сила, At - время сраба- можна длительная генерация электри- тывания. Образец грунта взят с глу- ческого тока при плюсовой температу- бины 0,5 м. Температура образца грун- ре в грунте ,и на контакте различных та в процессе проведения испытаний геологических пород. Причем электри- поддерживается постоянной +18 с.

Таблица 4

0,6 0,3 1,8

1,1 1,2 1,7 1,8 2,5 3,0 4,4 4,3

6

3

15

9

10

.14

15

21

25

35

35

В табл.5 приведены результаты определения величины трансформируемой на вторичной обмотке трансформатора

j 10

15

2787608

ческий ток является постоянным током с напряжением, подверженным незначительной (меньше 0,05 и. ) вариации. При сжатии грунта или уплотнении контакта величины электрического тока и напряжения на вторичной обмотке трансформатора значительно (в 2-265 раза) изменяются, наблюдается

всплеск, который после этого спадает до величины я;1,2 1, U 0, где 1д, и - электрического тока между электродами и напряжения на вторичной обмотке трансформатора до сжатия.

В табл.4 приведены результаты определения величины трансформируемой на вторичной обмотке трансформатора (фиг.2) ЭДС. при различной степени деформации грунта flS, где А - ра(фиг.З) ЭДС при различной силе удара G по контакту гранит - известняк. Удар производится с высоты Н. Неров9127876010

ностй этих контактирующих пород за- пература контактирующих пород во вре- полняются глиной. От гранита и из- мя испытаний поддерживается постоян- вестняка отводящие контакты выпол- ной +18°С, Направление силы G удара няются однородными (из меди). Тем- в одной плоскости Z,

Эксперименты показывают, что возможно и целесообразно контроль деформации ограниченного объема грунта или вообще горных пород осуществлять путем размещения в объеме грунта или на контакте пород в трех взаимно перпендикулярных плоскостях стальных (с различным содержанием углерода, предпочтительней из Ст.З и Ст.5)электродов. Электрический сигнал, снимаемый с электродов, необходимо преобразовывать через трансформатор. При отсутствии деформации породы или грунта на вторичной обмотке трансформатора отсутствует сигнал. Сдвиговые деформации в грунте или горных породах обычно осуществляются в виде мелких чередующихся толчков. Поэтому на вторичной обмотке трансформатора трансформируются электрические сигналы, пропорциональные-величине и скорости деформации.

Проведение при этом измерений сейсмических и ультразвуковых сигналов только .дополняет информацию, получае5

0

5

50

55

мую от трансформируемых электрических сигналов.

Пластины I из Ст.З и пластины 2 из Ст.З (фиг.1) размещены попарно в трех взаимно перпендикулярных плоскостях X , V , 2 , что обеспечивает контроль деформации грунта в любом направлении действия деформирующих сил.

Все три пластины 1 соединены между собой электропроводным соединением 3. Аналогично соединены пластины 2. Электрические выводы от пластин 1 и 2 выполнены гибкими проводами и подключены через усилитель 4, состоящий из двух транзисторов, к регистрирующему прибору или, например, пороговому устройству типа реле 5 (фиг.2). В качестве исполнительного устройства применяются сигнальная лампочка 6 и электрический звонок.

Практическое использование способа контроля деформации проверяется следующим образом.

и127876012

Поочередно в каждой из плоскостей ных горных пород сигнал практически проводится деформация грунта, величи- отсутствует. на и скорость которой определяются

по величине деформации грунта и энер- (Формула изобретения гин, затрачиваемой на образование зтой деформации (табл.4).

Способ контроля процесса деформации горных пород,при котором на объекте исследований размещают металлические электроды, измеряющие электрические сигналы, по изменению которых во времени судят об изменении напряженности деформированного состояния горных пород, отличающийся тем, что, с целью повышения экономичности и чувствительности контроля путем измерении объемных зарядов, электроды размещают в горных породах в виде трех взаимно перпендикулярных пар металлг чес- ких пластин и измеряют разность потенциалов и величину электрического тока между двумя электродами, каждый из которых образован тремя смежными металлическими пластинами.

При образовании деформации измеряется не только величина электрического сигнала на вторичной обмотке трансформатора (табл.4), но и факт срабатьгоания исполнительного устройства (реле, сигнальной лампы и электрического звонка).

Кроме этих испытаний проводятся испытания по измерению величины трансформируемого .электрического сигнала при деформации контакта различных геологических пород. Испытаниям подвергается контакт гранита с из- г вестняком,.отводящими проводниками от последних служат медные провода, на которых при отсутствии разнород(Формула изобретения

Способ контроля процесса деформации горных пород,при котором на объекте исследований размещают металлические электроды, измеряющие электрические сигналы, по изменению которых во времени судят об изменении напряженности деформированного состояния горных пород, отличающийся тем, что, с целью повышения экономичности и чувствительности контроля путем измерении объемных зарядов, электроды размещают в горных породах в виде трех взаимно перпендикулярных пар металлг чес- ких пластин и измеряют разность потенциалов и величину электрического тока между двумя электродами, каждый из которых образован тремя смежными металлическими пластинами.

/Г рег(стрируюсце/(/ прибору

Фиг.1

I 4-AVW

§1

Редактор И.Горная

Составитель Л.Воскобойников

Техред В.Кадар Корректор А.Обручар

Заказ 6831/43 Тираж 728Подписное

ВНИИПИ Государственного комите.та СССР

по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д.4/5

Производственно-полиграфическое предприятие,г.Ужгород, ул.Проектная, 4

Изобретение относится к сейсмологии и может быть использовано для контроля процесса деформации блоков горных геологических пород и их отдельных участков. Цель изобретения - повьппение экономичности и помехозащищенности измерений объемных зарядов. В контролируемом месте грунта размещают три пары взаимно перпендикулярных пластин-электродов, соединенных так, что они образуют два электрода. Казкдый электрод образован тремя-пластинами, входящими в одну из пар взаимно перпендикулярных пластин. Пластины-электроды, помещенные в грунт, генерируют электрический ток, при этом отмечаются отдельные циклические колебания около среднего уровня значения тока и напряжения. 2 ил., 5 табл. 1 (Л 1хд 00 Од &.