Способ контроля напряженного состояния горных пород Советский патент 1993 года по МПК E21C39/00 

Изобретение относится к горному делу и может быть использовано на горнорудных и других предприятиях, а также в научно-исследовательских организациях, занимающихся изучением горного давления.

Целью изобретения является увеличение срока службы датчика и повышение эффективности.

На фиг. 1 показан общий вид установленного датчика; на фиг. 2 - разрез по А-А на фиг. 1.

Устройство для осуществления предлагаемого способа состоит из анкера, который включает стержень 1 с упорной головкой 2 на его конце. Многокомпонентный датчик 3 выполнен из хрупких элементов 4, которые помещают в гибкие оболочки, надевают послойно на стержень анкера на устье скважины, причем в качестве хрупких элементов берут материалы с различным пределом прочности, например базальт, известняк, песчаник и сланец. Элементы 4 датчика 3 разделены жесткими шайбами 5, которые исключают попадание событий другого

спектра частот. Вся система помещается к шпур, пробуренный в кровле выработки нг участке, где необходимо вести наблюдение за состоянием выработанного пространен ва.

В этой же выработке в целике в шпур устанавливается приемник фиксаций акустических событий 6, принимающий информацию, поступающую с датчика 3. Приемник 6 при помощи кабеля соединен с цифровым индикатором событий 7 и анализатором спектра 8. Многокомпонентный датчик 3 прижимается опорной плитой 9 к упорной шайбе 10.

Способ контроля напряженного состояния горных пород осуществляется следующим образом.

Для измерения нагрузок в выработке собирают датчик 3 из элементов 4.

В таблице приведены предельные прочности использования горных пород.

Для установки всей системы в рабочее положение и создание предварительного напряжения в элементах 4 датчика 3. головку 2 закручивают до тех пор, пока-на цифровой индикатор событий 7 не поступит информация, что система находится в рабочем напряженном состоянии и поставлена на контроль.

При возникновении растягивающих усилий в кровле выработки в одном из элементов многокомпонентного датчика 3 происходит разрушение фракций заполняемого материала с меньшей прочностью, например сланца. Сигнал разрушения от датчика 3 фиксируется приемником фиксации сейсмоакустических событий 6, расположенным в шпуре целика. Цифровой индикатор событий 7 многоканальный в зависимости от количества элементов 4 датчика 3 и считает число событий с выдачей на анализатор 8 по каждому элементу.

Анализатор спектра 8 производит фиксацию и разделение различных событий по спектрам частот от каждого элемента датчика 3, что позволяет выполнить оценку напряженного состояния горного массива. При этом в процессе проявления горного давления происходит постепенное разрушение фракций в элементах 4 в зависимости от величины напряженного состояния. Так, например, при малых нагрузках разрушается сланец, песчаник, а с нарастанием горного давления разрушаются фракции известняка и базальта. Разрушение фракций происходит не только в зависимости от физико-механических свойств, но и от размера, что можно проследить из расчетов, выполненных по формуле для предельных нагрузок,

Связь между нагрузкой и прочностью фракций Материала в датчике выражается следующим образом:

Кф р-.- К3,

где Nnp - предельная нагрузка;

Он - прочность материала фракции в элементах датчика, согл. таблице;

Кф - коэффициент пропорциональности фракций;

р- площадь элемента фракции; , Кз - коэффициент заполнения, определяющий полезную площадь датчика - 0,7.

Расчет предельных нагрузок МПр выполнен для фракций состава базальт, сланец, известняк, песчаник с диаметром у вершин, равным 1,3, 5, 7 мм и площадью основания 100мм2.

Коэффициент пропорциональности фракций Кф рассчитывается как отношение размеров фракций, то есть отношение площади у вершин фракций к площади основания и соответственно равны:

КФ1 °-8 0,008: 100 мм2

КФЗ

7 мм

100мм2

0,07;

10

КФ5 §г 0,2 ; КФ7 -§- 0,4 .

100

100

5

0

5

0

5

0

5

0

5

Для примера был изготовлен датчик, содержащий элементы шириной 5 см, диаметром внутреннего кольца 5 см и площадью соответственно равной 235,5см2. Ниже приведены расчеты для базальта, известняка, песчаника, сланца.

Базальт кг/см2 (таблица)

NflPi 3000 кг/см2 к 235,5 см2 к 0,008 х х 0,7 3960 кг;

кг/см2 к 235,5 см2 к 0,07x0,7 34600 кг;

кг/см2 к 235,5 см2 к 0,2x0.7 98900 кг;

кг/см2 х 235,5 см2 к 0,4x0,4 197800 кг.

Известняк кг/см2 (табл. 1) кг; МпрЗ 13900 кг; МПр5 39500 кг; Nnp7 791QO кг.

Песчаник кг/см2 (табл. 1)

Мпр1-1330 кг; NnP3 11500 кг; Nnp5 32900 кг; Nnp7 65900 кг

Сланец кг/см2 (табл. 1)

кг, 1М-прз 7490 кг; Nnps 25200 кг; МПр7 42800 кг. (акт испытаний прилагается).

Результаты испытаний позволяют сделать вывод, что породы различного состава имеют специфический спектр частот, разрушение образцов происходит постепенно в зависимости от нагрузок. Используя в способе контроля напряженного состояния горных пород датчики, основанные на заполнении элементов породами с различными физико-механическими свойствами, по акустическому спектру разрушения пород осуществляется контроль за горным массивом.

Использование предлагаемого техничЪ- ского решения позволяет обеспечить непрерывность и достоверность поступающей информации о фактическом состоянии горного массива, исключив при этом работы, связанные систематическим демонтированием датчиков, а это значит - улучшить безопасные условия ведения горных работ в подземных выработках.

Ф о р м у л а и э о б р е т е н и я

1. Способ контроля напряженного состояния горных пород, включающий установку в скважину анкера с закрепленным на нем датчиком из нескольких хрупких элементов и определение величины прироста напряжений по степени разрушения хрупких элементов, отличающийся тем, что, с целью увеличения срока службы датчика и повышения эффективности, хрупкие элементы помещают в гибкие оболочки, надевают послойно на анкер на устье скважины, а в качестве хрупких элементов берут материалы с различным пределом прочности.

2. Способ по п. 1,отличающийся тем, что в качестве хрупких элементов берут базальт, известняк, песчаник и сланец.

Использование: в горном деле. Сущность изобретения: способ контроля напряженного состояния горных пород включает установку в скважину анкера с закрепленным на нем датчиком из нескольких хрупких элементов и определение величины прироста напряжений по степени разрушения хрупких элементов. Хрупкие элементы помещают в гибкие оболочки, надевают послойно на анкер на устье скважины, а в качестве хрупких элементов берут материа- лы с различным пределом прочности, на пример базальт, известняк, песчаник и сланец. 1 з. п. ф-лы, 1 табл. 2 ил.

////// /

А -А

фи г. 2