Способ прогноза нарушения сплошности участка массива горных пород

Изобретение относится к горному делу, используется для прогноза разрушения массивов горных пород при динамических проявлениях в них при изменении его напряженно-деформированного состояния. Способ основан на регистрации импульсов ЭМИ по длине выработки, измерении их длительностей τ_i, выделении импульсов с длительностью τ_рi, более чем на порядок превышающей τ_i, измерении периодов Т_i следования импульсов с длительностью τ_i и выделении периодов T_pi следования импульсов с длительностью τ_рi. О начале нарушения сплошности участка по мере увеличения на него нагрузки судят по началу увеличения τ_рi, начиная с τ_рн, и началу уменьшения Т_рi, начиная с Т_рн, по последующему увеличению τ_рi до τ_p(n-1) и уменьшению Т_рi до T_p(n-1) судят о развитии процесса, а по установленным зависимостям τ_pn=(f)τ_рн и T_pn=(f)Т_рн судят о критическом состоянии нарушения сплошности участка массива, после которого наступает разделение его на фрагменты.

 

Техническое решение относится к горному делу и может быть использовано для прогноза разрушения массивов горных пород при динамических проявлениях в нем, опасных для жизни горнорабочих, при изменении его напряженно-деформированного состояния (НДС).

Известен способ определения напряженного состояния массива горных пород по а.с. СССР №1086160, кл. E21C 39/00, опубл. в БИ №14 за 1984 г., основанный на изменении напряженного состояния образцов горных пород путем механического нагружения с постоянной скоростью и регистрации импульсов электромагнитной эмиссии (ЭМИ) в процессе нагружения, измерении амплитуды импульсов ЭМИ, определении их средней амплитуды, регистрации момента появления импульса с амплитудой, более чем на порядок превышающей среднюю, и по величине нагрузки, соответствующей этому моменту, судят о величине напряженного состояния массива горных пород.

Недостатком этого способа является то, что регистрация амплитуд импульсов ЭМИ и определение их средней величины не могут быть однозначно интерпретированы как увеличение НДС массива, т.к. возникновение импульсов ЭМИ может быть связано, например, с разгрузкой напряжений на участке массива, что не влечет за собой катастрофических последствий, а наоборот, является профилактическим мероприятием для снятия повышенных напряжений в массиве и предотвращения его разрушения.

Другим недостатком является то, что возникновение повышенных амплитуд регистрируемых импульсов ЭМИ не всегда является определяющей характеристикой при оценке напряженного состояния массива, т.к. в подземных горных выработках находится большое количество электрооборудования, в т.ч. электроподстанции, излучающие электрические импульсы различной, зачастую значительной, амплитуды, которые могут быть ложно интерпретированы в качестве импульсов, дающих информацию об изменении состояния массива. Поэтому известный способ не отличается достоверностью измерений.

Следовательно, для большей достоверности диагностики НДС массива, а также прогноза его разрушения необходимо проводить дополнительные измерения какого-либо параметра импульсов ЭМИ, что позволит идентифицировать возникновение импульсов ЭМИ, связанных с трещинообразованием и, следовательно, с приближением стадии разрушения в массиве.

Наиболее близким к предлагаемому способу по технической сущности и совокупности существенных признаков является способ контроля нарушения сплошности массива горных пород по а.с. СССР №1101552, кл. E21C 39/00, опубл. в БИ №25 за 1984 г., основанный на регистрации импульсов ЭМИ по длине выработки, измерении их длительности, определении средней длительности импульсов ЭМИ, возникающих при распределении горного давления, которую принимают за эталонную, выделении импульсов с длительностью, более чем на порядок превышающей эталонную, по появлению которых судят о возникновении расслоения.

Недостатком этого способа является то, что изменение длительности импульса ЭМИ зачастую не является фактором, характеризующим начало катастрофического разрушения, т.к. при возникновении микротрещины и сопутствующего ей импульса ЭМИ на границе двух резко различных по своим физико-механическим свойствам горных пород, например мраморов и базальтов, импульс ЭМИ может иметь параметры, отличные от параметров импульсов ЭМИ, возникающих в однородной среде (либо в мраморах, либо в базальтах), и иметь значительные длительности, хотя это и не связано с изменением НДС массива, а связано лишь с различием электрических характеристик пород, находящихся в контакте. Кроме того, при наличии различного рода включений, пустот, трещин и обводнений участков массива параметры импульсов ЭМИ вне зависимости от изменения НДС также могут существенно различаться между собой.

Следовательно, для большей достоверности прогноза необходимо проводить измерения дополнительного, уточняющего, параметра, характеризующего импульсы ЭМИ и приближение стадии нарушения сплошности участка массива горных пород.

Техническая задача - повышение достоверности прогноза разрушения массива горных пород за счет получения дополнительной информации о состоянии массива горных пород перед началом процесса его разрушения и детализации развития этого процесса.

Поставленная задача решается тем, что в способе прогноза нарушения сплошности участка массива горных пород, основанном на регистрации импульсов ЭМИ по длине выработки, измерении их длительностей τ_i, выделении импульсов с длительностью τ_pi, более чем на порядок превышающей τ_i, и определении начала нарушения сплошности исследуемого участка, согласно техническому решению дополнительно измеряют периоды T_i следования импульсов с длительностью τ_i, выделяя периоды T_pi следования импульсов с длительностью τ_pi, при этом о начале нарушения сплошности исследуемого участка массива по мере увеличения на него нагрузки судят по началу увеличения τ_pi, начиная с τ_pн, и началу уменьшения T_pi, начиная с Т_рн, по последующему увеличению τ_pi до τ_p(n-1) и уменьшению T_pi до T_p(n-1) судят о развитии процесса нарушения сплошности исследуемого участка, а при соотношениях

τ_pn≥(2,6÷4,5)τ_pн,

T_pn≤(3,8÷6,4)T_pн,

где τ_pn - максимальное значение длительности τ_pi импульса ЭМИ на исследуемом участке (n-й период следования импульсов ЭМИ);

τ_рн - минимальное значение длительности τ_pi импульса ЭМИ на исследуемом участке, с которой начинается ее увеличение;

T_pn - минимальное значение длительности T_pi периода следования импульсов ЭМИ (n-й период следования импульсов ЭМИ);

Т_рн - максимальное значение длительности T_pi периода следования импульсов ЭМИ, с которого начинается ее уменьшение,

судят о критическом состоянии нарушения сплошности исследуемого участка, после которого наступает разделение его на фрагменты.

Как известно, длительности τ_pi импульсов ЭМИ, более чем на порядок превышающие длительности τ_i, пропорциональны размерам возникающих трещин, т.е. чем больше размер трещины, тем более низкочастотный, т.е. больший по длительности τ_pi, импульс ЭМИ она излучает. При слиянии трещин в более крупные длительности τ_pi еще более увеличиваются. Измерение длительностей T_i периодов следования импульсов ЭМИ с длительностью τ_i дополнительно к измерению их значений τ_i и выделение периодов T_pi следования импульсов с длительностью τ_pi позволяет более точно уловить момент возникновения большого количества трещин и предсказать скорое разрушение исследуемого участка массива горных пород.

Увеличение длительностей τ_pi импульсов ЭМИ, начиная с τ_рн, наряду с уменьшением длительностей T_pi периодов следования импульсов ЭМИ, начиная с T_pн, по мере увеличения нагрузки на исследуемый участок массива свидетельствует о том, что возникает и прорастает большое количество трещин. Это позволяет судить о начале нарушения сплошности исследуемого участка массива. Дальнейшее увеличение длительностей τ_pi импульсов ЭМИ до τ_p(n-1) и уменьшение длительностей T_pi, периодов следования импульсов ЭМИ до T_p(n-1) позволяет проследить развитие процесса разрушения, т.е. процесса возникновения еще большего количества трещин и слияния их в еще более крупные, их ветвления и т.д., что делает возможным детализировать степень развития процесса нарушения сплошности участка массива и конкретизирует переход от начала нарушения сплошности к развитию процесса нарушения сплошности. Этот переход говорит о том, что массив уже более не способен выдерживать увеличивающуюся на него нагрузку, при этом оба параметра достигают критических значений τ_pn и T_pn.

При соотношениях

τ_pn≥(2,6÷4,5)τ_pн,

T_pn≤(3,8÷6,4)T_pн,

где τ_pn - максимальное значение длительности τ_pi импульса ЭМИ на исследуемом участке (n-й период следования импульсов ЭМИ);

τ_рн - минимальное значение длительности τ_pi импульса ЭМИ на исследуемом участке, с которой начинается ее увеличение;

T_pn - минимальное значение длительности T_pi периода следования импульсов ЭМИ (n-й период следования импульсов ЭМИ);

Т_рн - максимальное значение длительности T_pi периода следования импульсов ЭМИ, с которого начинается ее уменьшение,

говорят о критическом состоянии нарушения сплошности участка массива, после которого наступает разделение его на фрагменты.

Указанная совокупность признаков дает дополнительную необходимую информацию о приближении разрушения участка массива, что позволяет определить более достоверно момент его разрушения на фрагменты и таким образом решить поставленную задачу.

Предлагаемый способ реализуют следующим образом. В подземной горной выработке на участке массива, где предполагается проводить горные работы, предварительно по длине выработки регистрируют соответствующие микротрещинообразованию импульсы ЭМИ, например, прибором РЭМИ-3, измеряют длительности τ_i самих импульсов ЭМИ и длительности T_i периодов их следования, по которым судят о состоянии участка массива.

Пусть импульсы ЭМИ по длине выработки регистрируют достаточно редко, например 4 имп. в минуту, что соответствует периоду их следования T_i~15000 мс, а сами длительности τ_i этих импульсов ЭМИ имеют значения, например, 150 мкс.

Затем на этом участке массива начинают проходить, например, встречную горную выработку, которая нагружает массив, при этом изменяется его равновесное состояние и величина напряжения на этот участок увеличивается. Это вызывает слияние микротрещин в большие трещины, происходит начало увеличения длительностей τ_i импульсов ЭМИ до длительностей τ_pi, превышающих более чем на порядок длительности τ_i, например, до 1600 мкс, которые выделяют. При этом по длине выработки количество самих измеряемых импульсов с длительностью τ_pi за равные промежутки времени увеличивается, а периоды Т_pi их следования уменьшаются, например, до ~14000 мс.

О начале нарушения сплошности исследуемого участка массива по мере увеличения на него нагрузки судят по началу увеличения τ_pi, начиная с τ_pн (например, от τ_pi~1600 мкс до τ_pi~2000 мкс), и началу уменьшения длительности T_pi периода следования, начиная с T_pн (например, от T_pi=13764 мс до Т_рн=10461 мс). По этому начальному, минимальному, значению длительности τ_pн импульсов ЭМИ и начальному, максимальному, значению длительности T_рн периода следования импульсов ЭМИ судят о начале нарушения сплошности исследуемого участка массива, т.к. это свидетельствует о начале возникновения системы больших трещин на исследуемом участке массива горных пород.

При последующем, еще большем нагружении участка массива в нем возникает еще большее количество различных трещин, которые, сливаясь, образуют большие системы трещины с еще большими значениями τ_pi, например τ_p(n-1)=4852 мкс, и с еще более уменьшающимися длительностями T_pi периода, например T_p(n-1)=2988 мс, свидетельствующими о том, что начало нарушения сплошности переходит в развитие нарушения сплошности. Далее, при последующем, еще большем нагружении участка массива количество трещин еще более возрастает и развитие нарушения сплошности приближается к критическому состоянию.

При соотношениях:

τ_pn≥(2,6÷4,5)τ_pн,

T_pn≤(3,8÷6,4)T_pн,

где τ_pn - максимальное значение длительности τ_pi импульса ЭМИ на исследуемом участке (n-й период следования импульсов ЭМИ);

τ_рн - минимальное значение длительности τ_pi импульса ЭМИ на исследуемом участке, с которой начинается ее увеличение;

T_pn - минимальное значение длительности T_pi периода следования импульсов ЭМИ (n-й период следования импульсов ЭМИ);

Т_рн - максимальное значение длительности T_pi периода следования импульсов ЭМИ, с которого начинается ее уменьшение,

судят о критическом состоянии нарушения сплошности исследуемого участка, после которого наступает разделение его на фрагменты.

Критическое состояние иллюстрирует достижение конечного, максимального, значения τ_pn длительности импульсов ЭМИ на участке массива, когда оно изменяется по сравнению с начальным значением τ_pн, например, от ~2000 мкс до ~τ_pn 5,2÷9,0 мс (соответственно для хрупких и пластичных горных пород), и уменьшение длительности T_pn периода следования импульсов ЭМИ по сравнению с начальным изменением длительностей Т_рн периодов следования импульсов ЭМИ, например, от ~10461 мс до ~2752÷1634 мс (соответственно для хрупких пластичных горных пород).

Таким образом, совокупность перечисленных операций позволяет производить более точный прогноз разрушения участка массива горных пород и тем самым решить поставленную задачу.

Способ прогноза нарушения сплошности участка массива горных пород, основанный на регистрации импульсов электромагнитного излучения (ЭМИ) по длине выработки, измерении их длительностей τ_i, выделении импульсов с длительностью τ_рi, более чем на порядок превышающей τ_i, и определении начала нарушения сплошности исследуемого участка, отличающийся тем, что дополнительно измеряют периоды Т_i следования импульсов с длительностью τ_i, выделяя периоды Т_рi, следования импульсов с длительностью τ_рi, при этом о начале нарушения сплошности исследуемого участка массива по мере увеличения на него нагрузки судят по началу увеличения τ_рi, начиная с τ_рн, и началу уменьшения Т_рi, начиная с Т_рн, по последующему увеличению τ_pi, до τ_p(n-1) и уменьшению Т_рi до T_p(n-1) судят о развитии процесса нарушения сплошности исследуемого участка, а при соотношениях
τ_рn≥(2,6÷4,5)τ_рн,
Т_рn≤(3,8÷6,4)Т_рн,
где τ_рn - максимальное значение длительности τ_рi импульса ЭМИ на исследуемом участке (n-й период следования импульсов ЭМИ);
τ_рн - минимальное значение длительности τ_рi, импульса ЭМИ на исследуемом участке, с которой начинается ее увеличение;
Т_рn - минимальное значение длительности Т_рi периода следования импульсов ЭМИ (n-й период следования импульсов ЭМИ);
Т_рн - максимальное значение длительности T_pi, периода следования импульсов ЭМИ, с которого начинается ее уменьшение,
судят о критическом состоянии нарушения сплошности исследуемого участка, после которого наступает разделение его на фрагменты.