Способ определения напряженного состояния массива горных пород

 

СОЮЗ QOBETCHHX

COIII

РЕСГ)УБЛИН

„„SU„„ I !13543 зло Е 21 С 39 00

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР .

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ABTOPCHOMV СВИДЕТЕЛЬСТВ Г

У, юкд

Ф1(У=,- Уд

10! а

50 100 Р50 Р, кг(осt

50 100 /50 р кг/сю

0,5

50 100 60

50 дд ж

t.0

S0 Щ r50

Фиг.!

Я ПЮ 60 (6!) I086l60 (21) 35702!! 22-03 (22) 28.03.83 (46) !5.09.84. Бюл. № 34 (72) В. С. Ямщиков, В. Л. Шкуратник, В. M. Фарафонов, К. Г. Лыков и Б. Ф. Мура алев (7l) Московский ордена Трудового Крас ного Знамени горный институт (53) 622.325(088.8) (56) I. Авторское свидетельство СССР № !086!60, кл. Е 2! С 39/00, l982 (прототип) (54) (57) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ МАССИВА

ГОРНЫХ ПОРОД по авт. св. № !086!60, отличающийся тем, что, с целью повышения информативности, дополнительно измеряют амплитуду импульсов электромагнитной эмиссии при нагрузке, равной величине напряжений, действующих в массиве, при этом измерения проводят на различно ориентированных по отношению к массиву образцах, а о направлении действия максимального и минимального главных напряжений судят по направлениям нагрузки, при которой регистрируют соответственно максимальный и

Минимальный импульсы. электромагнитной эмиссии.

1113543

Изобретение относится к горному делу и может быть использовано при контроле напряженного состояния массива горных пород. .По основному авт. св. № 1086160 известен способ определения напряженного состояиия массива горных пород, основанный на изменении напряженного состояния образцов горных пород путем механического иагружения и регистрации импульсов электромагнитной эмиссии в процессе нагружения,согласно которому механическое нагружение образцов осуществляют с постоянной скоростью, измеряют амплитуду импульсов электромагнитной эмиссией, определяют их среднюю а мплитуду, 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 11J.

Однако данный способ не позволяет определять направления главных напряжений и поэтому обладает недостаточной информативностью.

Целью изобретения является повышение информативности способа за счет определения направления главных напряжений.

Указанная цель достигается тем, что согласно способу определения напряженного состояния массива горных пород дополнительно измеряют амплитуду импульсов электромагнитной эмиссии при нагрузке, равной величине напряжений, действующих в массиве, при этом измерения проводят на различно ориентированных по отношению к массиву образцах, а о направлении действия максимального и минимального главных напряжений судят по направлениям нагрузки, при которой регистрируют соответственно максимальной и минимальный импульсы электромагнитной эмиссии.

Физические предпосылки изобретения заключаются в следующем. Горные породы диэлектрики, минералы которых имеют кристаллическую структуру, обладают объемной поляризацией, которая связана с генезисом пород и активной деятельностью человека и объясняется наличием заряженных дефектов в структуре кристаллической решетки; Нагружение таких пород сопровождается электромагнитной эмиссией в виде коротких высокочастотных импульсов, возникающих,например, в результате движения под действием приложенной нагрузки и выхода на поверхности трещин заряженных дефектов, в первую очередь дислокаций.

Движение дислокаций в горных породах затруднено наличием других дефектов — винтовых дислокаций, вакансий и междуузельных ионов, концентрация которых зависит от термодинамического состояния, в котором находятся горные породы в массиве, в частности от их напряженно-деформированного состояния. При неизменных условиях большая часть дислокаций обволакивается облаками точечных дефектов, которые тормозят движение дислокаций и закрепляют их в кристаллической решетке. При этом под влиянием действующих в массиве напряжений дислокации выстраиваются в

«цепочки», большая часть которых ориентирована перпендикулярно направлению максимального главного напряжения. Таким образом, количество и ориентация закрепленных дислокаций в горных породах зависят от величины и направления максимального главного напряжения, действующего в

l5

В процессе нагружения образца горной породы при достижении нагрузки, равной величине напряжения, действующего в массиве, происходит отрыв ранее связанных дислокаций от окружающих их облаков и дви20 жение этих дислокаций к поверхностям трещин, что сопровождается электромагнитным импульсом значительной амплитуды.

При этом амплитуда данного импульса зависит от степени совпадения направления приложения нагрузки с направлением действия максимального главного напряжения.

В том случае, если направление приложения нагрузки совпадает с направлением действия максимального главно о напряж ния„ импульс электромагнитной эмиссии имеет наибольшую амплитуду.

Таким образом, обнаруженные законо- . мерности изменения амплитуды импульсов электромагнитной эмиссии образцов горных пород от степени совпадения направления приложения нагрузки с направлением дейст-.

З5 вия максимального главного напряжения позволяют определять направления главных напряжений в массиве горных пород.

На фиг. представлены зависимости изменения амплитуды импульсов электромагнитной эмиссии для шести различно ориентированных образцов горных пород от величины нагрузки; на фиг. 2 — эллипс напряжений, построенный по полученным результатам.

45 Способ осуществляют следующим образом

Из ориентированного по отношению к массиву керна, выбуренного из исследуемой области массива, изготавливают серию образцов. Каждый из полученных образцов нагружают с . постоянной скоростью при помощи гидравлического пресса до нагрузки, равной величине напряжения, действующего в массиве, и определяют амплитуду импульса электромагнитной эмиссии, появляющегося при этой нагрузке с помощью антенны и селективного вольтметра. При этом каждый из исследуемых образцов серии поворачивают на определенный угол относительно первоначального положения.

1113543

Составитель И. Назаркииа

Редактор М. Бандура Техред И. Верее Корректор М. Денник

Заказ 6200/27 Тираж 564 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР яо делам изобретений и открытий

1 13035, Иосква, Ж вЂ” 35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП «Патент», г..Ужгород, ул. Проектная, 4

На фиг, оказано характерное изменение амплитуды импульсов электромагнитной эмиссии образцов от направления приложения нагрузки, Направление нагрузки, при котором регистрируют импульс максимальной амплитуды, совпадает с направлением максимального главного напряжения б, соответственно, направление нагрузки, при котором импульс электромагнитной эмиссии минимален, является направлением минимального главного напряжения 5х. 1О

На фиг. 2 изображен эллипс напряжений, построенный по измеренным значениям амплитуд электромагнитных импульсов.

Проведены эксперименты на образцах различных горных пород (мраморах, известняках, соляных горных породах и др.).

Образцы в виде кернов диаметром 45 мм и длиной 270 мм выдерживали в течение нескольких часов под нагрузкой P =

= 150 кг/ему, а затем нагружали. Далее керн разрезали на б образцов длиной 45 мм. щ

Каждый образец вновь подвергали линейно возрастающему нагружению до нагрузки "200 кг/см с одновременной регистрацней амплитуды импульсов электромагнитной эмиссии. При этом первый образец поворачивали иа угол Р =- 30" относительно . его положения в первом цикле против часовой стрелки, ориентация второго образца оставалась прежней, последующие образцы поворачивали на угол Г = ЗО по часовой стрелке относительно предыдущего. Эксперименты показали, что прн повторном нагруженинт в момент достижения нагрузки

P на образец, равной Р,, наблюдаются импульсы электромагнитной эмиссии значительной амплитуды, причем величины этих импульсов зависят от степени совпадения направления повторной и первоначальнол нагрузок. В том случае, когда данные направления совпадают (обр. № 2), амплитуда импульса электромагнитной эмиссии максимальна.

Таким образом, изобретение позволяет повысить информативность способа определения напряженного состояния массива горных пород за счет определения направления главных напряжений. Этим и определяется

его технико-экономический эффект.