Способ контроля процесса деформации горных пород

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИН 12787 д 14 С 01 7 11/О АНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ КА КОМУ СВИ ум нли вой оявление Б.В. Клав островВ 4,оких н 1973СУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ(56) Перельман М.Е., Хатиашвнерация ЭМП при колебанияхэлектрических слоев и его ппри землетрясениях. ДАН. 9т.271, с.20,Лобковский Л.И., Барановвишная модель землетрясенийных дугах. ДАН. 1984, т. 27с.843.Костенко М.В. Техника выпряжений. - М.: Высшая школсе 9Л.Леб. Статическая электр(54) СПОСОБ КОНТРОЛЯ ПРОЦЕССА ДЕФОРМАЦИИ ГОРНЫХ ПОРОД (57) Изобретение относится к сейсмологии и может быть использовано для контроля процесса деформации блоков горных геологических пород и их отдельных участков. Цель изобретения - повышение экономичности и помехозащищенности измерений объемных зарядов. В контролируемом месте грунта размещают три пары взаимно перпендикулярных пластин-электродов, соединенных так, что они образуют два электрода. Каждый электрод образован тремя пластинами, входящими в одну иэ пар взаимно перпендикулярных пла- е стин. 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 2787Изобретение относится к сейсмологии и может быть использовано для контроля процесса деформации блоков горных геологических пород и их отдельных участков.5Цель изобретения - повышение экономичности и помехозащищенности измерений объемных зарядов.На фиг.1 показан датчик для измерения объемных зарядов; на фиг.2 -О принципиальная электрическая схема ля измерения этих зарядов,Способ основан на следующих предпосылках.В природе непрерывно осуществляет 15ся биотический круговорот, заключающийся в том, что зеленые растения впроцессе фотосинтеза создают органические вещества, а бактерии и живот 20ные разрушают его.Процесс фотосинтеза в растенияхпротекает в хлорофилле под действием солнечного света и сопровождаетсяпереносом электронов по электрон -25ному каналу в клетках: от хлорофилла на неорганический углерод и изводы, движущейся от корней к листьям,на хлорофилл.Обратный процесс - превращениеЭОорганического вещества в неорганическое под действием бактерий и микроорганизмов - сопровождается такжепотоком электронов - биотоком. Причем жизнедеятельность бактерий и других микроорганизмов (размножение и З 5дыхание) сопровождается переносомэлектронов от веществ-доноров к веществам-акцепторам. В качестве доноров для повсеместного распространенных аэробных и анаэробных бактерии40являются сероводород, сернистый газ,сульфид, теосульфат, двухвалентноежелезо и органические соединения(глюкоза, крахмал, нефть, лактат, мочевина и т.п.), а в качестве.акцепто 45ров - молекулярный кислород, аммиак,разнообразные ферменты, углекислыйгаз и т.п,Процесс переноса эг.зктронов от укаэанных 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. 60 2Процесс 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 положительно+го иона Н , Гидрид-ион участвует в образовании ионизированной молекулы СО , а положительный ион Н - моле"р Фкулы воды. Из почвы СО попадает в атмосферу, где отдает свой заряд положительным ионам водяного пара. Суммарное количество электрических зарядов, перешедших в атмосферу с СО2 меньше, чем суммарное количество электрических зарядов, расходуемых 1растениями 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 одном кубическом сантиметре воздуха+ у поверхности земли содержится и ;750, и 650 штук.Такйм образом, как в поверхностном слое грунта, так и значительных глубинах50-100 мм в результате деятельности аэробных и анаэробных бактерий в любом замкнутом объеме грунта, а также на границе контакта различных геологических пород содержатся свободные электрические зарядыНа стыке двух геологических породсвободные электрические заряды появ:15 45,0 3 1278 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 объ ема, соответственно возникают перемещение этих зарядов и сопутствующее электромагнитное излучение.Процесс выделения электронов в грунт под действием аэробных и ана эробных бактерий значительно усиливается в местах нахождения железа и его соединений. Как известно, в грунте наряду с хемоорганотрофными бактериями повсеместно распространены 2 О и совместно существуют сульфаторедуцирующие бактерии (ЭезоНоч 1 Ьгьо), которые переводят железо в серно- кислое в виде реакции4 Ре + 80 + 2 Н 0 -ф Рез + ЗРе(ОН) , 25ПОбразование сернокислого железа сопровождается усиленным потоком электронов от сероводорода к железу.Проводят серии экспериментов по определению интенсивности генерации ЗО электрического тока различными образцами грунта и геологических пород, взятых с различных глубин, и изменению величины генерируемого электрического тока при их деформации. Экспери- Зе Сц - Сц Ст.З - Ст.з Ст,з - Ст. Ю,шЗ 1,рА О,шВ 1,рА Ю,щВ ( 1 7604менты показывают, что имеет место зависимость биотока в образцах грунтаот материала контактов.Испытаниям подвергают образцыгрунта с глубин 0,1 и 50 м, а такжеобразцы речного печка. Контактом-катодом при испытаниях служат пластиныиз стали Ст.5, контактом-анодом -пластины из Ст.З.Площадь контактных поверхностейкаждой из шести пластин варьируетсяв пределах 40,0-160,0 см . Оптимальное расстояние между пластинами устанавливается методом проб и равняется 3,0 см,Схема расположения пластин в грунте образующих датчик приведена нафиг,1.При испытаниях применяют контактыиз различных материалов: Ст.З - Ст.З,Ст.5 - Ст.З, Ст.3 - медь, Ст.З - дюрал 1 оминий, Ст.З - х 18 Н 10, 1 х 18 Н 10, -1 х 18 Н 10.Наивысший потенциал (0,67 В) ивеличина тока (250 с А) с образца, взя-"того с глубины 0,1 м, получены наконтактах Ст.5 - Ст.З, несколько ниже (0=0,60 В, 1 = 245,чА) отмеченына контактах Ст,З - 1 х 18 НО.Результаты испытаний на величинугенерации биотока в зависимости отматериала контактов (испытуемый образец грунта при всех указанных испытаниях один и тот же) приведены втабл.1. Ст.з - 1 х 18 Н 10 Дюралалюмнннй - Ст.з%Зависимость биотока в образцахгрунта от температуры показана втабл.2.+200 240 720 10 Отмечена трансформация биотокапри деформации грунта.Испытаниям подвергаются образцыпри +18 С. Электродами служат пласЬИспьгганиям подвергаются те же об-разцы, что и в табл,1, Температураобразцов Тор изменяется от - 1 О Сдо +200 С. При отрицательной температуре напряжение и ток на электродах Ст.З - Ст.5 (начиная с температуры -2 С) резко снижаются. При повышении температуры выше нуля напряжение на образце увеличивается, Однако при повышении температуры свыше+60 С и до +200 С оно остается практически неизменным. Т - время измерений,Проверяют продолжительность генерации биотока, для чего образец,изъятый из грунта, помещают в изолированное помещение с постояннойтемпературой. С течением времени(свыше 5 сут) напряжение и электрический ток, генерируемые образцом,снижаются, Однако пластины-электроды, помещенные в грунт на глубину3,0 м, генерируют электрический токсвыше 3 мес. При этом отмечаются отдельные циклические колебания околосреднего уровня значений тока и напряжения. В табл.З приведены результаты испытаний продолжительности генерирования электрического тока от пластин(Ст3 - Ст,5), находящихся в грунтена глубине 3,0 м. Размер пластин1 бх 10 см, толщина 3 мм, расстояние 35 между ними О см,185 190 185 190 195 190 190 185 190 185 185 185 тины из Ст,З - Ст.5. Деформация грунта производится ударным сжатием пластин поочередно в каждой из плоскостей х , ч , 7. (фиг,1).Т а б л и ц а 4 Направление в плоскости ь 8, . А, А С 10 З 1 О- Р-- , кг В 4, С 1,5 100 0,6 100 0,3 83,0 5 1,8 2,08 82,0 1,56 83,0 10 1,2 2,12 14 82,5 1,7 1,74 15 1,8 2,70 84,0 21 2,80 83,5 25 3,0 3,20 79,5 35 4,4 3,15 23,5 1079,5 4,3 7 127Величйна трансформируемого напряжения на вторичной обмотке трансформатора при деформации грунта измеряется миллнвольтметром, а также определяется пь срабатыванию порогового устройства, которое включает в себя усияитель на транзисторах, исполнительное реле, сигнальную лам- почку и звонок. При возникновении деформации образца, осуществляемой его 10 сжатием, пороговое устройство подает сигнал на исполнительное реле, последнее включает сигнальную лампочку и звонок,Кроме этого, проводятся испытания, 15 при .которых электродом служит гранит - известняк. Пространство между неровностями электродов (камней) заполняется смесью глины и песка.Эти испытания показывают, что воз можна длительная генерация электрического тока при плюсовой температуре в грунте,и на контакте различных геологических пород. Причем электриВ табл,5 приведены результаты определения величины трансформируемой на вторичной обмотке трансформатора 8760 8ческий ток является постоянным током. с напряжением, подверженным незначительной (меньше 0,05 П, ) 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 величины1,2 1 , Б =О, где 1 , 0 - велиЧины электрйческого 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 аЯ, где А - работа, Р - сила, ь 1 - время срабатывания. Образец грунта взят с глубины 0,5 м. Температура образца грунта в процессе проведения испытаний подцерживается постоянной +18 С,4,93 102,47 1 О14, 109,0 109,7 1 О7,6 10911011,5 10 413,3 . 1019,2 10(фиг.3) ЭДС при различной силе удара 6 по контакту гранит - известняк.Удар производится с высоты Н. Неров1278760 10пература контактирующих пород во время испытаний поддерживается постоянной +18 С, Направление силы С ударав одной плоскости Е..Таблица 5г С, кг А=СН,кгм ДП, шВ Н, м 0,3 2,0 0,6 2,10 0,3 2,0 0,6 2,08 0,3 2,0 0,6 2,12 0,6 0,3 2,0 2,10 0,5 2,0 1,0 3,35 0,7 1,0 0,7 2,82 1,0 0,7 0,7 2,80 0,7 1,0 0,7 0,5 2,0 1,0 3,30 0,7 0,7 3,32 1,0 0,7 0,7 3,38 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 пер 40 пендикулярных плоскостях стальных (с различным содержанием углерода, предпочтительней из Ст.З и Ст.5)электродов. Электрический сигнал, снимаемый с электродов, необходимо преобразовы 45 вать 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 мелких50 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, получае 1 ности этих контактирующих пород заполняются глиной. От гранита и известняка отводящие контакты выполняются однородными (из меди). Теммую от трансформируемых электрических сигналов.Пластины 1 из Ст.5 и пластины 2 из Ст.З (фиг.1) размещены попарно в трех взаимно перпендикулярных плоскостях у ч , -, 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, 12787 бО 12Поочередно в каждой из плоскостей проводится деформация грунта, величина и скорость которой определяются по величине деформации грунта и энергии, затрачиваемой на образование этой деформации (табл.4).При образовании деформации измеряется не только величина электрического сигнала на вторичной обмотке трансформатора (табл.4), но и факт срабатывания исполиительного 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 известняком отводящими проводниками от последних служат медные провода, на которых при отсутствии раэнородных горных пород сигнал практическиотсутствует. 1 Ф о р м у л а изобретения5Способ контроля процесса деформации горных пород,при котором на объекте исследований размещают металлические электроды, измеряющиеэлектрические сигналы, по изменению которых во времени судят об изменении напряженности деформированного состояния горных пород, о т л и ч аю щ и й с я тем, что, с целью повыщения экономичности и чувствительности контроля путем измерении объемных зарядов, электроды размещают в горных породах в виде трех взаимно перпендикулярных пар металлических пластин и измеряют разность потенциалов и величину электрического тока мвкду двумя электродами, каждый из которых образован тремя смежными металлическими пластинами..Горна 43 Тираж 728 По ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж, Раушская наб., 683 сно