Способ определения динамического состояния участков массива горных пород

(56) Авто рс М 1452983,Егоро фотоэмйсс ных услов ванное с пород;Сб, с, 135-140. кое свидетел кл. Е 21 С 39 в П,В, и др ии горных иях, Напря остояние м науч.тр.,Ноедованиев натур- еформиров горных рск, 1988,ИНАМИЧЕМАССИ 8 А ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНВЕДОМСТВО СССР) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ДОГО СОСТОЯНИЯ УЧАСТКОРНЫХ ПОРОД 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 динамйческого состояния участков массива,Сущность изобретения заключается в разработке способа оценки потенциальной энергии йапряженных 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 валент- ность и атомный номер (заряд) элементов, входящих в состав породы данного участка,(57) Использование: прогноз и контроль удароопасности 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 вядрах элементов. На исследуемом участке принимают электромагнитное излучение. Определяют энергию излучения и диапазоны регистрируемых частот, По полученнымданным устанавливают потенциальную энергию деформирующихся и разрушающихся участков массива. По значению потенциальной энергии определяют масштаб и характер возникающего разрушения, з.п. ф-лы, 3 табл,Определяют энергию возбужденных энергетических уровней электронов в атомах и протонов в ядрах химических элементов из соотношения Я УР - а с ЩЕС, (1) Ч где а = -- постоянная тонкой структу- (")О17 ры а = - для возбужденного состояния энергетических уровней валентных электронов; а = а 2 - для внутренних .электронов; ьо а = а- для ближних к ядру электронов, а =йл- йлв энергетических уровней электрически возбужденных протонов в ядре);Е - заряд химического элемента; , гпту - масса электрона; с - скорость света в вакууме, Результаты. найденных энергий основных возбужденных уоовней приведены в табл.2.Далее, регистрируют диапазоны частот электромагнитного излучения пород иссле(9) 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 .5 процесс сопровождается образованием микротрещин и излучением граничных фотонов, что подтверждается эмиссией электронов,Общеизвестно, что энергии регистриру емых граничных фотонов равны энергиям возбуждений соответствующих основных уровней атомов; сЕф = 11 1 гр = 11 - - = Е в уригр где и - постоянная Планка;1+р - граничная частота;4 р - граничная длина волны, .Сумма энергий всех возбужденных атомов участка породы составляет потенциальную энергию. Удельную энергию езв.ур элементарных возбуждений определяют по энергиям регистрируемых с единицы поверхности пород фотонов с максимальной энергией Ев в,ур = Е в.ур КБ в.ат, (3)ю30 где Кэ в.ат = 0-2,5 х 10 --- количествомгвозбужденных атомов, приходящихся на единицу площади.Количество излучающих атомов опреде ляют по регистрируемой .интенсивности с учетом приборных данных, химического состава пород и их излучающей площади.Потенциальную энергию ечв.ур, или обьемную плотность энергии возбужденных 40 атомов определяют из выражения где Кч в.ат. = 0-1,25 х 10 -- количество 4529 12возбужденных атомов в единице обьема,В горном массиве при насыщении энергией уровней валентных электронов, она передается сначала энергетическим уровням 50 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 определяется по максимальной энергии уровней предыдущего диапазона ближних к ядру электронов,Механическое возбуждение ионных связей при трехосном сжатии пород в натурных условиях приводит к последовательному заселению возбуждениями энергетических уровней все более глубоких микроструктур атомов и их ядер, Поэтому появление первых признаков рентгеновского излучения свидетельствует о насыщении энергией уровней внутренних электронов, Максимальная энергия соответствующих квантов излучения равна еф =5,97607 х 10Дж. а потенциальная энергия исследуемого участка при этом составляет Е ечв.ур. = Еф. КЧ=5,98 х 10 х 1,25 х 10-16 29 Появление первых признаков гамма-излучения свидетельствует о насыщении энергией уровней ближних к ядру электронов, По их максимальной энергии определяют потенциальную энергию участка массива=8,9 х 10 х 1.25 х 10 =1,02 х 10м При насыщении энергией даже только ионных связей все атомы становятся возбужденными. Поэтому в приведенных выше двух примерах Кч=йч в.ат,Используя известные аналитическиевыражения ер ч =О 2 п 1 рс Кн. (8) где ерч. - потенциальная энергия электрического возбуждения протонов;п - валентность;тр - масса протонаи энергию регистрируемых граничных фото- нова потенциальнаяецио- ецз 5 10 =65,52 5 109=3.28 10мзС помощью приборов ДРГЗи ДРГЗ определяют граничную частоту излучения. При, проведении камуфлетного взрывания ВВ в шести скважинах в забое орта 9 прибором ДРГЗбыло 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. При появлении признаков мягкого излучения потенциальная энергия определяется по уровню энергии связей внутренних электроновмеч Ецзх 137 х 5 х 10=42 х 137 х 5 х 10 =2,9 х 10 з - - ,зВо 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.При появлении признаков жесткого излучения потенциальная энергия определяется по уровню связей ближних к ядру электронов;4 ч- ецзх 137 х 5 х 10- 65 х 137 х 5 х 10=6,1 х 10зПостоянное излучение фотонов возможно только при постоянном притоке энергии, Каждый квант энергии микровзаимодействий, доходящий до поверхности скважины, излучается вследствие релаксации возбужденных атомов. Диапазоны час.тот для возбужденного состояния электронов различных энергетических уровней и протонов в процессе электромагнитного излучения принимают значения; для валентных электронов 4,8 х 101 -6,6 х 1015 Гц 5;5 для внутренних электронов 6,7 х 10- 9,0 х 10 Гц; для ближних к ядру электронов .9,1 х 10 -1,2 х 10 Гц и для протонов в ядре17 201,3 х 10 -1,6 х 10 Гц.Экономический эффект способа соци альный, заключающийся в повышениибезопасности труда горнорабочих и безопасности горно-промышленной техники,Формула изобретения 15 1. Способ определения динамическогосостояния участков массива горных пород.включающий регистрацию электромагнитного излучения горных пород на исследуемом. участке массива и измерение частоты 20 излучения, по изменению которой определяют динамическое состояние участка массива, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения точности определения, предварительно определяют химический состав 25 породы на исследуемом участке и диапазоны частот электромагнитного излучения для возбужденного состояния электронов различных энергетических уровней и протонов ядер химических элементов, входящих в со став породы, затем по измеренной частотеэлектромагнитного излучения устанавливают уровень возбуждения электронов и протонов и определяют потенциальную энергию исследуемого участка массива, по 35 которой оценивают его динамическое состояние.2. Способ по п,1, отл и ч а ю щи й с ятем, что диапазоны частот для возбужденно. го состояния электронов различных энерге- "40 тических уровней и протонов принимаютравными: для валентных электронов 4,810 -6,6 10 Гц, для внутренних элект 13 15ронов 6,7 10 -9,0 10 Гц, для ближних к15 7.ядру электронов 9 11017 1 2 102 ц Гц и для 45 протонов в ядре 1,310 .1,610 Гц.получают аналитические выражения для определения потенциальной энергии возбужденных валентных уровней 3 Е 4 Ч = - ПП тт Йч в,ат уровней внутренних электронов 1 ЕЕЧ = - 11 те ЙЧ в.ат.,2 ближних к ядру электроновЕеЧ = 11 1 еЙчв.ат. уровней протонов ЕрЧ = 11 тр Мч в.ат.(11)10 (12)(13) В натурных условиях перераспределе 45 ние 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 возбужда 1 отся. 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 возбуждаютсл более глубокие уровни микроструктур атомов,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) энергию25Как 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 Ев 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/ й 40 ЭНЕРГИЙ Ееэ, Ееэ, Ерз, СОДЕРжаЩИЕСЯ В КОЛОН- ке 2, и длл обьемной плотности энергии евч, еч, ееч, ерч, содержащиеся в 3 колонке. и соотношения (10-13),Регистрируетсл широкий диапазон длин волн 1,0 х 10 -1,2 х 10 м, Установлено,-12 -бчто 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 состояния участков массива горных пород реализуется с помощью измерителей фотонной эмиссии типа ИФЭ(ФЭУ, ФЭУ), ИФЭ(ФЭУ, ФЭУ), дозиметров ДРГЗ(ФЭУ) и ДРГЗ(ФЭУ), снабженных воздухоэквивалентными сцинтилляторами. В способе использованы результаты измерений, выполненныес 1983 года по 1991 год до и после горных ударов и массовых взрывов и в периоды землетрясений,Примеры конкретного исполнения, С помощью приборов ИФЭи ИФЭопределяют 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 ИФЭи светофильтров при измерении с рабочей поверхности скважины (регулируемой экраном), пробуренной в северном борту орта 9 гор, - 210 м, составила (500 нм) бх 10 Гц, Это соответствует14удельной энергии участка, равнойе я= е;р 115=8,82 х 10-з 4 хбх 1014 х 2 5 хх 10 - х 2,4=35,75 Д22и потенциальной энергииеоч= евзх 5 х 10 =1,78 х 10зПри измерении прибором ИФЭна преобладающей частоте в скважине, пробуренной в забое орта 9, получен результат; и =1,5 10 Гц (200 нм). На данном участке15удельная энергия составляет-4 в с,0 л л сЧ сЧ св 4О СО в л в сЧ о сЧ в С)1 л л ЯО)М СО в л л в . СЧ О СО сЧ сЧ 0 в в л м 0:) л й О 0л в ц о М,О 34) Б е а е ос 1)Я Б сО С Х Х:т а х т сО 9 сО Б с С.) О С 3.1798499 12 Таблица 2Энергия основных энергетических уровней электронов в атомах и протонов,в ядрах химических элементов, входящих в состав исследованныхгорных пород (БЕ=8-30) е ааааа еееааеаа аае ее аВРппее еа аПлотность энергии, Дж е еааааа е= О( Ешвс 2 4 Ер таблица 3 йаранетрм потенцнэлькй энергии н фотонной эмиссииучастков массива горвек пород прм различних стадиях из разрувения а еназон фо ссии ЛаееУровниэмцт гикатома Удельная энергияДанг Обьввцкз плотность энергии,Дх/мз Потенциальнаэнергия учасковДя/ т Д тайна динамического состояния тонной н Иагнетитовая рудас 6 50-б 5 т-граматовцй Скзрн Инфракрасное, видимоеультрафиолетовоебЗх 10 0-5,2 х 100 сит свзх 5 х 10 252 х 10 иие никрот ин (вива Е, - 37 Образов цнн и тсв 0 сиз х 13-1 О потовоеское2,3 х 101 О еэ без х 103 бх 13 Гз у Гезх 5 хиг еское,луче ниц2 15 х 10 Составитель АДенисовТех ред М,Моргентал орректор А Козори актор Т.Горячева Тираж Подписноевенного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж, Рауаская наб., 4/5 аказ 759 ВНИИПИ Гос Производственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгоро агарина, 1 Аиорнтовий порфнрмт,35-45Слепит сланцевмй туфбнэ34-41 Аеленив участка насава нз куски (вибросникроудар) Двихение блоков ввахтнон поле (собстаэино ГО 1 НВЕ УйаР 1 а. м бломэв интосферм (землетрясение)Ультрафмэрент ге2 5 х 10Рентгеногава-иэ2,3 х 10