Способ определения динамического состояния участков массива горных пород Советский патент 1993 года по МПК E21C39/00 

Изобретение относится к горному делу, в частности, к способам определения динамического состояния массива по энергетическим параметрам и фотонной эмиссии горных пород.

Цель изобретения - повышение точности определения динамического состояния участков массива.

Сущность изобретения заключается в разработке способа оценки потенциальной энергии напряженных горных пород по параметрам их фотонной эмиссии.

Способ определения динамического состояния участков массива горных пород выполняется следующим образом.

Предварительно определяют химический состав исследуемого участка массива, табл.1. По периодической системе элементов Д.И.Менделеева определяют валентность и атомный номер (заряд) элементов, входящих в состав породы данного участка.

Определяют энергию возбужденных энергетических уровней электронов в атомах и протонов в ядрах химических элементов из соотношения

„2

где а

Јв.ур а

1

Zmec

0)

-jity постоянная тонкой структу- Я ры (а сг - для возбужденного состояния

энергетических уровней валентных электронов; ее о - для внутренних электронов; а а- для ближних к ядру электронов, а - -of- для энергетических уровней электрически возбужденных протонов в ядре);

Z - заряд химического элемента; . те-масса электрона;.

с-скорость света в вакууме.

Результаты .найденных энергий основных возбужденных уровней приведены в табл.2.

Далее, регистрируют диапазоны частот электромагнитного излучения пород исслеXJ Ю 00

ю о

дуемого участка. Измерения выполняют с поверхности выработки и с поверхности скважины до глубины в 20 м методом фотонной эмиссии. В натурных условиях нагруженные породы деформируются. Этот процесс сопровождается образованием микротрещин и излучением граничных фотонов, чтб подтверждается эмиссией электронов.

Общеизвестно, что энергии регистрируемых граничных фотонов равны энергиям возбуждений соответствующих основных уровней атомов:

..с

П Vrp П -I-- лт

Ј

Ф

в.ур.

ся по максимальной энергии уровней предыдущего диапазона ближних к ядру электронов.

Механическое возбуждение ионных

5 связей при трехосном сжатии пород в натурных условиях приводит к последовательному заселению возбуждениями энергетических уровней все более глубоких микроструктур атомов и их ядер. Поэтому

Ю появление первых признаков рентгеновского излучения свидетельствует о насыщении энергией уровней внутренних электронов. Максимальная энергия соответствующих квантов излучения равна Еф 5,97607x10 16 Дж, а по15 тенциальная энергия исследуемого участка при этом составляет«.

Использование: прогноз и контроль уда- роопасности горного массива. Сущность изобретения: определяют химический состав пород на исследуемом участке массива. По валентности и атомному номеру входящих в породу элементов определяют энергию возбужденных энергетических уровней электронов в атомах и протонов в ядрах элементов. На исследуемом участке принимают электромагнитное излучение. Определяют энергию излучения и диапазоны регистрируемых частот. По полученным да.нным устанавливают потенциальную энергию деформирующихся и разрушающихся участков массива. По значению потенциальной энергии определяют масштаб и характер возникающего разрушения. 1 з.п. ф-лы, 3 табл. ЈЛ

где h - постоянная Планка: vrp - граничная частота: Дгр - граничная длина волны. . . Сумма энергий всех возбужденных атомов участка породы составляет потенциальную энергию. Удельную энергию Ј$в.ур элементарных возбуждений определяют по энергиям регистрируемых с единицы поверхности пород фотонов с максимальной энергией

Ј s в.ур. f в.ур. NS в.ат ,

(3)

где NS в.ат 0-2,5x1019 -- - количество

м

возбужденных атомов, приходящихся на единицу площади.

Количество излучающих атомов определяют по регистрируемой .интенсивности с учетом приборных данных, химического состава пород и их излучающей площади.

Потенциальную энергию л/в.ур. или объемную плотность энергии возбужденных атомов определяют из выражения

EV в.ур. Јв.ур- NV в.ат,

1

где Nv в.эт. 0-1,25х1029 ----количество

м возбужденных атомов в единице объема,

В горном массиве при насыщении энергией уровней валентных электронов, она передается сначала энергетическим уровням внутренних электронов, потом - ближних к ядру электронов, а затем - уровням протонов. Поэтому, при появлении признаков регистрации рентгеновского излучения, потенциальная энергия участка массива оп- ределяется по максимальной энергии уровней предыдущего диапазона внутренних электронов, а при появлении признаков регистрации гамма излучения потенциальная энергия участка массива пород определяете еУв.ур. Јф. ,98x 1,25x1029

20

7,47x10

13 Дж

м

Появление первых признаков гамма-из- лучения свидетельствует о насыщении энергией уровней ближних к ядру электронов. По их максимальной энергии определяют потенциальную энергию участка массива

30

Ј eVe.yp Јф. Nv - .

8,.25х1029 1,02х1016-Д м3

35 При насыщении энергией даже только ионных связей все атомы становятся возбужденными. Поэтому в приведенных выше двух примерах в.ат,

40

Используя известные аналитические

выражения

45

5055 e4V -yC Znmec2Nv, её V -|- о2 Zmec2Nv.

ее V aZmecNv,

(5)

(6)

(7)

ЕрЧ cf Zmpc2Nv,(8) где epv - потенциальная энергия электрического возбуждения протонов;

п - валентность;

тр - масса протона

и энергию регистрируемых граничных фотонов

Јф Јв.ур П ZfTleC

(9)

а потенциальная

€uv euS 5 ,52 5 .28 1011 -&-

MJ

С помощью приборов ДРГЗ-02 и ДРГЗ- 01 определяют граничную частоту излуче- ния. При проведении камуфлетного взрывания ВВ в шести скважинах в забое орта 9 прибором ДРГЗ-02 было зарегистрировано мягкое излучение величиной 3- 5 мкР, При подвижке блоков шахтного поля в межэтажной выработке между гор.-210 м и гор.-140 м с поверхности скарнов в щели также было зарегистрировано мягкое излучение величиной 5-6 мкР с помощью прибора ДРГЗ-02. При появлении признаков мягкого излучения потенциальная энергия определяется по уровню энергии связей внутренних электронов

eЈv Јusx137x5x1О9

20

42х137х5х109 2,9хЮ13

м3

Во время землетрясений в орте 9 гор.- 210 м на глубине скважины 4,2 м регистрировалось изменение жесткого излучения до 20-25 мкР с помощью дозиметра ДРГЗ-01. При появлении признаков жесткого излуче- ния потенциальная энергия определяется по уровню связей ближних к ядру электронов:. dW egsx1372x5x109

65x1372x5x109 6.1x10is &%-.

м3

35

Постоянное излучение фотонов возможно только при постоянном притоке энергии. Каждый квант энергии микровзаимодействий, доходящий до поверхности скважины, излучается вследствие релаксации возбужденных атомов. Диапазоны частот для возбужденного состояния

электронов различных энергетических уровней и протонов в процессе электромагнитного излучения принимают значения: для валентных электронов 4,8х1013-6,6хЮ15 Гу; для внутренних электронов 6,7x10 - 9,0x10 Гц; для ближних к ядру электронов 9.1хЮ17-1,2х1020 Гц и для протонов в ядре 1.3х1020-1,6хЮ21 Гц,

Экономический эффект способа социальный, заключающийся в повышении безопасности труда горнорабочих и безопасности горно-промышленной техники.

Формула изобретения

17

,20

ядру электронов 9, -1, Гц и для протонов в ядре 1,3 1020Н,6Л021 Гц.

получают аналитические выражения для определения потенциальной энергии возбужденных валентных уровней

т

&JV -ynhVu NVB.8T,(10)

уровней внутренних электронов

CEV -у h Ve Nv о.ат.,(11) ближних к ядру электронов

EeV hVe% Nve-ат..(12)

уровней протонов

ЈpV h Vp Nv в.ат. (13)

и используют их для определения потенциальной энергии деформируемых и разрушаемых участков массива пород, очагов горных ударов и землетрясений с целью предсказания размеров возможных разрушений, поскольку известные выражения (5- 8) позволяют определять естественную энергию стационарного состояния пород (пропорциональную ее прочности), предлагаемые - потенциальную, накопленную (вредную) энергию.

Как показали многочисленные экспериментальные исследования в натурных условиях, каждому диапазону уровней потенциальной энергии соответствует свое динамическое состояние массивов горных пород, разновидности которых приведены в табл.3, где в колонке 2 энергии ионных связей Ји представлены диапазонами удельных энергий ионных связей пород, зависящих от диапазонов их химического состава, регистрируемых интенсивностей и частот. Остальные параметры пород определяют используя регистрируемые диапазоны частот и зависимости для удельных энергий CeS, ЈeS, ЈpS, содержащиеся в колонке 2, и для объемной плотности энергии Јиу. EeV, ЈeV, ЈpV, содержащиеся в 3 колонке, и соотношения (10-13).

В натурных условиях перераспределение энергии в ходе ведения горных работ, тектонические явления и землетрясения приводят к сжатию и растяжению различных участков массива пород в зависимости от их геологического строения и направления действия сил. При этом атомы, составляющие породы возбуждаются.. Сумма энергий всех возбуждений участка составляет его реальную потенциальную энергию. Чем дальше расположен очаг накопления энергии от мест возможной его релаксации (горной выработки), тем больше накапливается в нем энергия и возбуждаются более глубокие уровни микроструктур атомов.

Регистрируется широкий диапазон длин волн 1,,, Установлено, что с увеличением нагрузки на участке массива увеличивается регистрируемая частота

от радиоволн до гамма излучения и хотя все более низкочастотные диапазоны излучения в ходе возрастания нагрузки и активизации процессов разрушения также сохраняются, однако, основную информацию о стадии разрушения несет максимум увеличивающейся частоты.

Способ определения динамического со: стояния участков массива горных пород реализуется с помощью измерителей

фотонной эмиссии типа ИФЭ-1 (ФЭУ-83, ФЭУ-112), ИФЭ-2 (ФЭУ-80, ФЗУ-142), дозиметров ДРГЗ-01 (ФЭУ-93) и ДРГЗ-02 (ФЭУ- 92), снабженных воздухоэквивалентными сцинтилляторами. В способе использованы результаты измерений, выполненные с .1983 года по 1991 год до и после горных ударов и массовых взрывов и в периоды землетрясений,

Примеры конкретного исполнения.

С помощью приборов ИФЭ-1 и ИФЭ-2 определяют наибольшую частоту фотонной эмиссии на исследуемом участке массива в зоне опорного давления или в зоне максимального излучения. Наибольшая частота излучения в период землетрясения мощностью 4,5-5 баллов, определенная с помощью прибора ИФЭ-1 и светофильтров при измерении с рабочей поверхности скважины (регулируемой экраном), пробуренной в северном борту орта 9 гор. -210м, составила (500 нм) 6х1014 Гц. Это соответствует удельной энергии участка, равной

40

ЈuS Ј о.уР ,62x10 34x6xi014x2,5x

х 10

19

х2,,75

Дж

м

и потенциальной энергии

Јuv Јusx5x 109 1,78x1011- f-.

MJ

При измерении прибором ИФЭ-2 на преобладающей частоте в скважине, пробуренной в забое орта 9, получен результат: v 1,5 1015 Гц (200 нм). На данном участке Удельная энергия составляет

ЈuS бв.ур. v Ns y ncp.

1,5 10Т5 6,62 2,5 ,52 ,

м2

Химический состав исследованных пород Таштапольского месторождения

Т а 6 я и ц а 2

Энергия основных энергетических уровней электронов в атомах и протонов, в ядрах химических элементов, входящих в состав исследованных vгорных пород ()

.........

В&1

Плотность энергии, Дж

1 |и 3гтес2 (2,54720x10 - 0,95520х10 Я)

sf

-«.

(3,48968x16 - 1,30863x10- )

(4,7.8086x10 -1,70282x10)

(8,76616x10 - 3,28731x10)

Параметру потенциальной энергии и фотонной эмиссии участков массива горних пород при различных стадиях из разрушения. .

Јf.Кагнетитоваи руда „ . Ј,6 50-65 ,.. Скарн эпндот-гранатоаЛ

еи& - 37-48.eui -f.ixsxio

Диоритовый порфирит

- .. . ;.,. Слепит, сланцевый туф . 6„$

-«.

- )

Таблица

Обеазоваике микротрещин и трецкн (вывал)

Инфракрасное,видимое

ультрафиолетовое

6,Зх(,2х10-