Способ прогноза разрушения в массиве горных пород

 

Изобретение относится к горной промышленности и может быть использовано для контроля и прогноза крупного разрушения краевой части напряженного участка и контроля разрушения различных нагружаемых блоков. Способ включает регистрацию импульсов электромагнитной эмиссии и их длительности в массиве, определение эталонных параметров импульсов на образцах и сравнение их с регистрируемыми. Отличием является то, что дополнительно измеряют количество и амплитуды токов этих импульсов в массиве и нагружаемом до разрушения эталонном образце. Определяют объемы образца и разрушаемого участка массива, и определяют приближение разрушения по выполнению математического соотношения, которое включает амплитуды одиночных импульсов в образце и разрушаемом участке массива, длительность одиночных импульсов в образце и массиве, объемы эталонного образца и разрушаемого участка, предельное количество зарегистрированных импульсов в образце при произведении его разрушения и количества импульсов на разрушаемом участке массива. 1 ил.

Изобретение относится к контролю и прогнозу внезапного крупного разрушения краевой части напряженного участка массива и может быть использован для контроля разрушения различных нагружаемых искусственных блоков и конструкций.

Известен способ определения напряженного состояния массива, включающий регистрацию амплитуды импульсов ЭМИ вдоль выработки, при этом увеличение амплитуды на порядок считают увеличением напряженного состояния массива и прогнозируют приближение процесса разрушения (см. а.с. N 1086160, кл. E 21 C 39/00).

Недостатком способа является то, что увеличение амплитуды импульсов на порядок может быть началом трещинообразования в другой горной породе. Так, например, в образце мраморизованного известняка при разрушении регистрируется максимальный сигнал 70-75 мкА, а в таком же по объему образце кварцевого сиенита максимальная амплитуда достигает 5000 мкА. Другим недостатком способа является отсутствие дополнительной информации о других параметрах ЭМИ, что также затрудняет однозначные оценки возможности разрушения.

Наиболее близким аналогом по технической сущности и достигаемому результату к заявляемому способу является способ контроля нарушения сплошности массива горных пород (а.с. N 1101552, кл. E 21 C 39/00), включающий регистрацию в массиве количества импульсов ЭМИ и их длительности по длине выработки, причем при увеличении длительности импульсов на порядок считают, что нарушение сплошности горных пород увеличивается.

Недостатком способа является, прежде всего, то, что увеличение длительности импульса на порядок свидетельствует лишь о начале процесса накопления и прорастания трещин, т. е. о начале активизации одной из стадий процесса разрушения. По такой регистрации длительности импульсов невозможно судить об интенсивности процесса, а также прогнозировать разрушение как таковое.

Техническая задача, решаемая в предлагаемом изобретении, заключается в повышении достоверности получаемой информации путем оценки величины энергии, выделяющейся при раскрытии всех трещин в объеме V_м на разрушаемом участке массива и отнесенной к поверхности этих трещин.

Эта задача решается тем, что в способе прогноза разрушения участка массива горных пород, как и в прототипе, регистрируют импульсы ЭМИ и их длительность, определяют эталонные параметры импульсов и сравнивают их с регистрируемыми. Однако в отличие от прототипа эталонные параметры импульсов - количество и амплитуды токов -регистрируют в нагружаемом до разрушения эталонном образце. Кроме того, количество импульсов и амплитуды токов также регистрируют на разрушаемом участке массива. После этого определяют объемы образца V_о и массива V_м. Затем определяют эталонное количество поверхностной плотности энергии ЭМИ для образца которое, будучи отнесенным к объему образца , является эталонным (предельным и постоянным) для любых объемов этого типа пород. Затем определяют аналогично для разрушаемого участка массива: .

Сравнивают полученные величины для образца массива: и, если второе приближается к первому, то прогнозируют приближение разрушения массива, где J_о, J_м амплитуда тока одиночного импульса в образце и разрушаемом участке массива соответственно; τ_o,τ_м длительность одиночного импульса в образце и разрушаемом участке массива соответственно; V_о, V_м объемы образца и разрушаемого участка массива соответственно; n предельное количество зарегистрированных импульсов в нагружаемом эталоном образце, при котором произошло его разрушение; m количество зарегистрированных импульсов на разрушаемом участке массива горных пород.

Физической сущностью заявляемого способа является следующее.

Известно, что по величине электромагнитной энергии, выделяющейся при разрушении горных пород, можно судить о том, как интенсивно идет сам процесс накопления и роста трещин. Однако при этом невозможно оценить начало катастрофического процесса, т. е. перевода участка массива в предразрушающее состояние, предваряющее потерю сплошности на разрушаемом участке массива, т. к. чем больший объем горной породы разрушается, тем большее количество энергии электромагнитного излучения выделяется при этом. Кроме того, величина этой энергии зависит от стартовых размеров возникающих зародышевых трещин и при различных размерах этих трещин в одном и том же объеме (на одном и том же разрушаемом участке) величина энергии электромагнитного излучения будет различной.

Нами предлагается в качестве прогностической характеристики разрушения участка массива горных пород использовать величину поверхностной плотности энергии электромагнитного излучения, отнесенную к разрушаемому объему, т.е. то максимальное количество энергии, которое выделяется в разрушаемом объеме массива конкретного типа пород V_м, отнесенных к площади всех раскрывшихся трещин , и сравнение этой величины с эталонной , полученной для этого же типа пород в образце объема V_о при его нагружении до разрушения, которая является предельной и постоянной для того же типа пород. При этом считают, что если эта величина приближается к эталонной или то прогнозируют разрушение участка массива.

Далее рассматривается влияние каждого признака и их совокупности на решение поставленной задачи.

Дополнительно измеряют количество и амплитуды токов этих импульсов в массиве и нагружаемом до разрушения эталонном образце. Эти признаки, т.е. измерение амплитуд токов каждого импульса и их количества, во-первых, позволят определить предельное количество образовавшихся трещин в образце от начала его нагружения до той нагрузки, при которой произойдет его разрушение, а также количество трещин в объеме на разрушаемом участке массива. Во-вторых, измерение амплитуд тока наряду с длительностью каждого импульса позволит определить предельную величину поверхностной плотности энергии электромагнитного излучения для образца конкретного типа горной породы объемом V_о, т.е. практически получить эталонную величину для этого типа горных пород. Аналогичные измерения в массиве также позволяют определить величину и следить за ее ростом на разрушаемом участке, т.е. повысить достоверность получаемой информации путем оценки соотношений величин энергий, выделяющихся при раскрытии образующихся трещин, и тем самым прогнозировать приближение разрушения участка массива. Таким образом, по мнению авторов, этот признак влияет на решение поставленной задачи.

Определяют объемы образца и разрушаемого участка массива. Этот признак в совокупности с рассмотренным выше позволит определить тот объем V_о образца конкретного типа горной породы, который разрушится, если в нем возникнет не менее n трещин, т.е. позволит получить эталонную величину энергии для конкретного объема V_о конкретного типа горной породы. Аналогичное определение объема V_м участка массива этого же типа горных пород позволит наряду с другими признаками прогнозировать приближение разрушения этого участка. Поэтому авторы считают, что этот признак также влияет на решение поставленной задачи.

Оценивают приближение разрушения, сравнивая соотношения

Этот признак в совокупности с ранее рассмотренными позволяет определить предельную эталонную величину которая для конкретного типа горной породы является постоянной; соотношение V_о/V_м можно также оценить. Поэтому определение возрастания величины для массива и сравнение с эталонной повышает достоверность получаемой информации о приближении разрушения участка. Таким образом, рассматриваемое соотношение также влияет на решение поставленной задачи.

Способ осуществляется следующим образом (см. чертеж).

В массиве горных пород на предлагаемом участке контроля разрушения предварительно отбирают образцы имеющихся на этом участке горных пород, например кварцитов, сиенитов и туфов, с объемами V_ок, V_ос и V_от. Затем в лабораторных условиях производят последовательное нагружение каждого образца, доводя его до разрушения и регистрируя для каждого образца: количество импульсов: 1_к, 2_к, 3_к, n_к; 1_с, 2_с, 3_с, n_c и 1_т, 2_т, 3_т, n_т; их длительности и амплитуды токов: I_1ко, I_2ко, I_3ко, I_nко; I_1со, I_2со, I_3со, I_nсо и I_1т, I_2то, I_3то, I_nто. После этого для каждого типа пород определяют эталонную предельную величину поверхностной плотности энергии электромагнитного излучения

После этого составляют отношение величины поверхностной плотности энергии электромагнитного излучения для каждого типа образца к его объему, которое для этого типа пород является предельным и постоянным

Затем в массиве горных пород вблизи горной выработки А, пройденной, например, последовательно в кварцитах, сиенитах и туфах, начинают проходку забоем другой выработки Б, что подвергает участок массива вблизи выработки А дополнительному нагружению, которое увеличивается по мере продвижения забоя. При этом регистрируют количество импульсов m: 1_к, 2_к, 3_к, m_k; 1_с, 2_с, 3_с, m_c; 1_т, 2_т, 3_т, m_τ; амплитуды токов: I_к1м, I_к2м, I_к3м, I_кmм; I_с1м, I_с2м, I_с3м, I_сmм; I_т1м, I_т2м, I_т3м, I_тmм и длительности: Затем определяют объемы участков массива: V_км, V_см, V_тм. После этого определяют для каждого участка массива:
.

После этого производят сравнение каждой полученной величины в массиве с эталонной, полученной для образцов этого же типа горной породы. При этом получают:
.

В этом случае делают следующие выводы.

1. На кварцесодержащем участке массива кварциты подвергаются интенсивному разрушению.

2. Сиениты находятся в состоянии, угрожаемом по разрушению.

3. Туфы находятся в не угрожаемом по разрушению состоянии.

Формула изобретения

Способ прогноза разрушения в массиве горных пород, включающий регистрацию импульсов электромагнитной эмиссии и их длительности в массиве, определение эталонных параметров импульсов на образцах и сравнение их с регистрируемыми, отличающийся тем, что дополнительно измеряют количество и амплитуды токов этих импульсов в массиве и нагружаемом до разрушения эталонном образце, определяют объемы образца и разрушаемого участка массива и оценивают приближение разрушения по выполнению соотношения

где I_о и I_м амплитуды токов одиночных импульсов в образце и разрушаемом участке массива соответственно;
τ_o и τ_м - длительность одиночных импульсов в образце и разрушаемом участке массива соответственно;
V₀ и V_м объемы эталонного образца и разрушаемого участка массива соответственно;
n предельное количество зарегистрированных импульсов в нагружаемом эталонном образце, при котором произошло его разрушение;
m количество зарегистрированных импульсов на разрушаемом участке массива горных пород.

РИСУНКИ

Рисунок 1