Способ определения напряженного состояния массива горных пород

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИК Уб 1) Е 21 С 39/00 ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯК А ВТОРСНОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ Ж г.1 ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ(71) Московский ордена Трудового Красного Знамени горный институт(56) 1. Авторское свидетельство СССР по заявке3466717, кл. Е 12 С 39/00, 09.03.82.2. Егоров П. В. и др. Изучение влияния физико-механических характеристик на импульсное электромагнитное излучение горных пород при их механическом нагружении. Труды ВНИМИ, М., 1979,113, с. 13 - 15 (54) (57) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ МАССИВА ЯО 1086160 А ГОРНЫХ ПОРОД, основанный на изменении напряженного состояния образцов горных пород путем механического нагруже. ния 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 эмиссии, и по величине нагрузки, соответствующей этому моменту, судят о величине напряженного состояния массива горных пород.заключаются в следующем,Горные породы-диэлектрики, минералы которых имеют кристаллическую структуру, обладают объемной поляризацией, котораясвязана с генезисом пород и активной деятельностью человека, и объясняется наличием заряженных дефектов в структуре кристаллической решетки. Нагружение таких пород сопровождается электромагнитнойэмиссиеи, в виде коротких высокочастотных импульсов, возникающих, например, в ре 50 55 Изобретение относится к горному делу и предназначено для контроля напряженного состояния массива горных пород.Известен способ определения напряженного состояния массива горных пород, вклю. чающий отбор образцов, их механическое5 нагружение с постоянной скоростью, регистрацию и анализ изменения физико-механических характеристик образцов в процессе нагружения 11.В указанном способе о величине дейст вующих в массиве напряжений судят по на. грузке, 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 образцн. в процессе нагружения 2. 25Однако известный способ обладает малой информативностью, поскольку не позволяет определить абсолютное значение действующих в массиве напряжений.Целью изобретения является повышение точности и объема информации о действую щих 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 35 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 превышает среднюю амплитуду импульсов электромагнитной эмиссии, и по 45 величине нагрузки, соответствующей этому моменту, судят о величине напряженного состояния массива горных пород.Физические предпосылки изобретения зультате движения под действием нагрузкии выхода на поверхности трещин заряженных дефектов, и в первую очередь, дислокаций. Движение дислокаций в горных нородах затруднено наличием других дефектов -винтовых дислокаций, вакансий и междуузельных ионов, концентрация которых зависит от термодинамического состояния, вкотором находятся горные породы в массиве, в частности от их напряженно-деформированного состояния.При неизменных условиях большая частьдислокаций обволакивается облаками точечных дефектов, которые тормозят движение дислокаций и закрепляют их в кристаллической решетке, Таким образом, количество закрепленных дислокаций в горныхпородах зависит от давления Р, которомуподвергаются горные породы в массиве.В процессе нагружения образца горнойпороды, отобранного из области массива, вкоторой действует давление Р, при достижении нагрузки Р.Р происходит отрыв ранее связанных дислокаций от окружающихих облаков и движение этих дислокаций кповерхности трещин. Поскольку оторванныедислокации являются носителями зарядов,то их движение и выход на поверхность трещин или на границу зерен сопровождаетсяэлектромагнитным импульсом значительнойамплитуды.Таким образом, обнаруженные закономерности изменения амплитуды импульсов электромагнитной эмиссии образцов горных пород при их нагружении позволяют определять величину действовавших в массиве напряженийй.На фиг. 1 представлена одна из возможных схем реализации способа, на фиг. 2 -зависимости изменения амплитуды импульсов электромагнитной эмиссии от величиныдавления на образец.Способ осуществляется следующим образом.Образец горной породы 1, извлеченныйиз массива, помещают между плитами пресса 2. Затем образец сжимают при постоянной скорости нагружения, уровень которогоизмеряют динамометром 3. Возникающиепри этом импульсы электромагнитной эмиссии принимают ферритовой антенной 4, размещенной вблизи образца, усиливают уси.лителем 5 и подают на вход детектора 6,Сигнал с детектора, пропорциональный амплитуде импульсов электромагнитной эмиссии, регистрируют совместно с показаниямидинамометра 3 при помощи двухкоординатного самописца 7. Для уменьшения влиянияэлектромагнитных помех образец и антеннупомещают в экран 8,На фиг. 2 показано характерное изменение амплитуды импульсов электромагнитной эмиссии образца 1 при возрастании дав.ления Р. Линейное увеличение давления Рдо значения Р, = 150 кг/см, соответствующего давлению, действовавшему на образецСоставитель И. Назаркнна Техред И. Верес Корректор В. Бутяга Тираж 564 Подписное ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий 1 3035, Москва, Ж - 35, Раушская наб., д. 4/5 Филиал ППП Патент, г. Ужгород, ул. Проектная, 4Редактор Г. ГерберЗаказ 2208/32 в массиве, не приводит к появлению импуль. сов 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 образцахразличных горных пород (мраморах, известняках, соляных горных породах и др.), Образцы в виде кубиков размерами 50 х х 50 х 50 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 амплитуду5 импульсов фона. Исследования показывают, что память горных породзо воздействовавших на них нагрузках сохраняется в течение нескольких (3 - 5) ч после извлечения из массива (снятие нагрузки),1 О 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.