Способ определения изменения напряженного состояния горного массива

Изобретение относится к горному делу и предназначено для определения изменения напряженного состояния горного массива. Техническим результатом является обеспечение высокой чувствительности и получение количественных оценок при определении изменения напряженного состояния горного массива. Способ включает размещение в скважине цилиндрического звукопровода, прием и анализ параметров распространяющихся в нем ультразвуковых сигналов. Предварительно на звукопроводе соосно с ним и на некотором расстоянии друг от друга закрепляют не менее двух колец из текстолита, внутренний диаметр которых совпадает с диаметром звукопровода, а внешний - с диаметром скважины. Подвергают каждое из них индивидуальному уровню механического нагружения в одинаковом и совпадающем с диаметром направлении. При этом размещение звукопровода в скважине осуществляют так, чтобы это направление совпадало с направлением максимального главного напряжения в массиве. Об изменении напряженного состояния судят по скачкообразным увеличениям крутизны нарастания суммарного счета принимаемых из звукопровода ультразвуковых сигналов акустической эмиссии, возникающих в кольцах текстолита. 2 ил.

 

Изобретение относится к горному делу и предназначено для определения изменения напряженного состояния массива горных пород.

Известен способ определения напряженного состояния массива горных пород, включающий прозвучивание ультразвуковыми импульсами участков массива, расположенных между параллельными скважинами на разной их глубине, измерение длительности переднего фронта каждого их принятых ультразвуковых импульсов, по относительному изменению которой с глубиной судят о распределении напряжения в окрестностях горной выработки, при этом глубина, на которой отмечен минимум длительности переднего фронта ультразвукового импульса, соответствует максимуму зоны опорного давления [1].

Недостатком известного способа является невозможность с его помощью определения абсолютных значений главных напряжений.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является способ определения изменения напряженного состояния горного массива, включающий размещение в скважине цилиндрического звукопровода, прием и анализ параметров распространяющихся в нем ультразвуковых сигналов [2].

В указанном способе в звукопровод излучают ультразвуковые импульсы и измеряют скорость их распространения, значение которой сравнивают со скоростью опорного сигнала, при этом об изменении напряжений в массиве судят по относительному изменению скорости в звукопроводе.

Недостатками данного способа являются низкая чувствительность и невозможность получения количественной оценки степени изменения действующих в массиве напряжений. Это связано с тем, что с увеличением напряжений в исследуемом массиве и соответственно давления на звукопровод скорость распространения ультразвуковых импульсов в нем будет изменяться весьма незначительно (обычно не более 10% даже при нагрузке порядка 100 МПа). Связь между скоростью распространения ультразвуковых импульсов в звукопроводе и величиной действующих в массиве напряжений неоднозначна и нелинейна, а поэтому количественная оценка степени изменения напряжений в массиве известным способом не реализуется.

В настоящей заявке решается задача создания способа, обеспечивающего высокую чувствительность и получение количественных оценок при определении изменения напряженного состояния горного массива.

Для решения поставленной задачи в способе определения изменения напряженного состояния горного массива, включающем размещение в скважине цилиндрического звукопровода, прием и анализ параметров распространяющихся в нем ультразвуковых сигналов, предварительно на звукопроводе соосно с ним и на некотором расстоянии друг от друга закрепляют не менее двух колец из текстолита, внутренний диаметр которых совпадает с диаметром звукопровода, а внешний - с диаметром скважины, подвергают каждое из них индивидуальному уровню механического нагружения в одинаковом и совпадающем с диаметром направлении, при этом размещение звукопровода в скважине осуществляют так, чтобы это направление совпадало с направлением максимального главного напряжения в массиве, а об изменении напряженного состояния судят по скачкообразным увеличениям крутизны нарастания суммарного счета принимаемых из звукопровода ультразвуковых сигналов акустической эмиссии, возникающих в кольцах текстолита.

Предлагаемый способ базируется на использовании так называемого акустико-эмиссионного эффекта памяти в композитных материалах, который заключается в скачкообразном увеличении крутизны суммарного счета импульсов акустической эмиссии деформируемого образца в момент, когда его нагружение достигает максимального уровня нагрузки предшествующего цикла деформирования. В частности, проведенные авторами экспериментальные исследования показали, что наблюдается устойчивый акустико-эмиссионный эффект памяти в текстолите в диапазоне давлений 10-100 МПа. При этом «память» об испытанных текстолитом давлениях сохраняется не менее двух недель. Следует отметить, что выбор текстолита в качестве «носителя памяти» обуславливается, с одной стороны, высокой его прочностью, что позволяет использовать данный материал для определения широкого диапазона напряжений в массиве, а с другой - простотой механической обработки, необходимой для изготовления соответствующих колец.

Способ определения изменения напряженного состояния массива горных пород иллюстрируется фиг.1 и фиг.2, где на фиг.1 представлена технология создания измерительного устройства и его размещение в скважине, а на фиг.2 - представлена зависимость суммарного счета акустической эмиссии от давления, соответствующая последовательному «срабатыванию» текстолетовых колец.

Схема, представленная на фиг.1, включает измерительную скважину 1, звукопровод 2, выполненный, например, из стали, текстолитовые кольца 3, 4, 5, на боковых поверхностях которых нанесены диаметральные отметки 6, 7, 8 направления предварительного нагружения 8, приемный преобразователь 9 акустической эмиссии, направление 10 максимального главного напряжения в массиве.

На фиг.2 представлена зависимость 11 суммарного счета N импульсов акустической эмиссии на выходе приемного преобразователя 9 акустической эмиссии от давления Р, оказываемого массивом на кольца 3, 4, 5 и иллюстрирующая их последовательное «срабатывание» при давлениях P1, P2 и P3, соответственно.

Способ определения изменения напряженного состояния горного массива осуществляют следующим образом: на металлическом звукопроводе 2 на некотором расстоянии друг от друга закрепляют текстолитовые кольца 3-5, внутренний диаметр которых равен диаметру звукопровода, а внешний - диаметру измерительной скважины 1. Причем между текстолитовыми кольцами 3, 4, 5 и волноводом 2 обеспечивают надежный акустический контакт за счет использования, например, клеевого соединения. Поочередно нагружают указанные кольца вдоль направления диаметральных отметок 6-8 до заданных уровней установочных напряжений соответственно. Затем закрепляют на торцевой поверхности звукопровода 2 приемный преобразователь 9 акустической эмиссии. Далее размещают звукопровод 2 с текстолитовыми дисками 3, 4, 5 и приемным преобразователем 9 акустической эмиссии в измерительной скважине 1 таким образом, чтобы направление диаметральных отметок 6-8 на текстолитовых кольцах 3-5 совпадало с направлением 10 максимального главного действующего в массиве напряжения. Под действующим в массиве естественным полем напряжений контур измерительной скважины начинает деформироваться, при этом нагрузка передается на текстолитовые кольца 3-5. При достижении в кольце 3 уровня нагрузки P1, равного , в нем наблюдается резкое возрастание крутизны графика суммарного счета N акустической эмиссии, регистрируемого с помощью приемного преобразователя 9 акустической эмиссии, по которому судят о достижении в массиве уровня напряжений P1. Таким же образом последовательно срабатывают кольца 4 и 5 при достижении оказываемым массивом на текстолитовые кольца 4, 5 давлением значений и соответственно. При этом по заранее заданным установочным давлениям , и получают количественную оценку значений изменяющихся в горном массиве напряжений.

При лабораторных испытаниях предлагаемого способа три кольца из текстолита с внешним диаметром 40 мм, внутренним диаметром 10 мм и толщиной 15 мм закреплялись с использованием клеевого соединения на стальном цилиндрическом волноводе диаметром 10 мм и длиной 800 мм. Первый диск подвергали установочному механическому нагружению до уровня , второй - до уровня , а третий - до уровня . Затем указанный волновод с закрепленными на нем текстолитовыми кольцами снабжали приемным преобразователем акустической эмиссии и помещали в модель скважины, представляющую собой пробуренное в кубическом образце мрамора с длиной ребра равной 250 мм, сквозное цилиндрическое отверстие диаметром 40 мм, обеспечивая при этом плотный механический контакт между стенками отверстия и текстолитовыми кольцами. Далее указанный образец мрамора подвергали тестовому одноосному нагружению до уровня P*=70 МПа с одновременной фиксацией скорости счета акустической эмиссии с помощью акустико-эмиссионного измерительного комплекса A-Line 32D. На заключительном этапе на полученной зависимости, представленной на фиг.2, выделяли точки P1, P2 и P3, резкого возрастания крутизны суммарного счета N акустической эмиссии и сравнивали полученные значения давлений с установочными значениями давлений , и . Сопоставление установочных давлений с измеренными показало, что погрешность определения напряжений в горном массиве с использованием описанного выше способа не превышает 6%. Кроме того, резкое возрастание счета акустической эмиссии N (в 6 и более раз) при достижении установочного давления в текстолитовом диске обеспечивает высокую чувствительность данного метода.

Таким образом, предложенный способ определения изменения напряженного состояния горного массива позволяет решить задачу повышения чувствительности, а также получения количественных оценок определения изменения напряженного состояния горного массива за счет применения акустико-эмиссионного эффекта памяти в текстолите.

Источники, принятые во внимание при составлении заявки на изобретение

1. Авторское свидетельство СССР №1149010 кл. E21C 39/00, опубл. в БИ №13 от 07.04.85 г.

2. Авторское свидетельство СССР №973832 кл. E21C 39/00, опубл. в БИ №42 от 25.11.82 г.

Способ определения изменения напряженного состояния горного массива, включающий размещение в скважине цилиндрического звукопровода, прием и анализ параметров распространяющихся в нем ультразвуковых сигналов, отличающийся тем, что предварительно на звукопроводе соосно с ним и на некотором расстоянии друг от друга закрепляют не менее двух колец из текстолита, внутренний диаметр которых совпадает с диаметром звукопровода, а внешний - с диаметром скважины, подвергают каждое из них индивидуальному уровню механического нагружения в одинаковом и совпадающем с диаметром направлении, при этом размещение звукопровода в скважине осуществляют так, чтобы это направление совпадало с направлением максимального главного напряжения в массиве, а об изменении напряженного состояния судят по скачкообразным увеличениям крутизны нарастания суммарного счета принимаемых из звукопровода ультразвуковых сигналов акустической эмиссии, возникающих в кольцах из текстолита.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к горному делу и может быть использовано для оценки напряженного состояния горных пород в породном массиве. .

Изобретение относится к механике разрушения твердых тел и может быть использовано при определении прочностных свойств композиционных материалов и горных пород в строительной и горной областях промышленности.

Изобретение относится к горному делу, в частности к области контроля состояния горного массива посредством измерения величины деформации горных выработок или их участков.

Изобретение относится к горному делу и предназначено для определения напряжений в массиве горных пород. .

Изобретение относится к горной промышленности и может быть использовано для оценки безопасного ведения горных работ под водными объектами. .

Изобретение относится к горной промышленности и может быть использовано для определения вертикальных сдвижений и деформаций земной поверхности вследствие ведения подземных и открытых горных работ.

Изобретение относится к горному делу и предназначено для регистрации сейсмических волн и деформаций в скважине. .

Изобретение относится к области горного дела и может быть использовано для исследования проявления горного давления в горных выработках. .

Изобретение относится к физико-механическим испытаниям материалов и может быть использовано при инженерно-геологических изысканиях. .

Изобретение относится к горному делу, в частности к устройству для измерения смещений пород кровли в подготовительных выработках. .

Изобретение относится к горному делу и может быть использовано при разработке месторождений полезных ископаемых и строительстве подземных сооружений открытым способом. Техническим результатом является повышение точности определения местоположения потенциальной поверхности скольжения и изменения геомеханического состояния массива горных пород в окрестностях этой поверхности. Способ включает периодическое определение сдвижения реперов, расположенных на откосе горных пород и прилегающей к нему земной поверхности, в вертикальной и наклонной плоскостях и построение полных векторов смещения поверхности откоса. Реперы размещают в скважинах, пробуренных в откосе горного массива, по сдвижению которых рассчитывают величину относительной деформации горных пород в приоткосной зоне для каждой скважины по математической формуле. По линии, соединяющей точки с критическими значениями относительной деформации, определяют границу потенциальной поверхности сдвижения пород приоткосной зоны. 4 ил.

Изобретение относится к геофизическим исследованиям горных пород, в частности к способам контроля и определения координат опасного состояния массива горных пород при подземных горных работах. Техническим результатом является повышение точности и достоверности определения координат возможного горного удара или обрушения массива горных пород. Способ, в котором бурят шпуры, устанавливают в них датчики акустической эмиссии, сигналы с датчиков акустической эмиссии регистрируют и обрабатывают, по результатам обработки судят о прогнозе опасного состояния массива горных пород. Обработку сигналов производят с применением анализа знаков вступления импульсов акустической эмиссии. Для каждого источника акустической эмиссии строят распределение знаков вступлений на стереографической проекции. При выявлении закономерного группирования знаков вступления импульсов акустической эмиссии судят о наличии опасного состояния массива горных пород, определяют соотношение действующих напряжений, рассчитывают величины углов падения и простирания для опасных плоскостей и направлений. По анализу распределения в объеме массива горных пород знаков вступления импульсов акустической эмиссии вычисляют координаты возможного горного удара или обрушения массива горных пород. 3 ил.

Изобретение относится к горному делу, в частности к способам определения трещиноватости горных пород. Технической результат направлен на определение недостающей системы трещин, находящейся в глубине массива горных пород. Способ определения внутренней системы трещин на обнажениях, включающий замер азимутов простирания трещин и азимутов падения плоскостей трещин. Недоступную для непосредственных измерений характеристику системы трещин, находящуюся внутри массива горных пород, определяют по замерам обнаженных открытыми горными работами плоскостей, входивших в эту систему трещин до обнажения. Замеры ведут только тех плоскостей, которые не являются плоскостями отрыва при ведении взрывных работ или работ горной техники. Это определяют по налету на плоскостях окислов железа, других элементов или остатков заполнителей трещин. 3 ил.

Изобретение относится к горному делу и может быть использовано для повышения эффективности увлажнения краевых зон угольных пластов в целях борьбы с внезапными выбросами угля и газа путем оперативного и надежного определения влажности угольного пласта при увлажнении. Техническим результатом является увеличение оперативности и повышение безопасности при определении влажности угля в угольном пласте в шахтных условиях при увлажнении краевых зон ударо- и выбросоопасных угольных пластов. В способе пневмосверлом сверлят скважину в боку подготовительной выработки, определяют скорость сверления до увлажнения и после увлажнения угольного пласта, а прирост влажности определяют из результатов сопоставления измерений скорости сверления и результатов предварительных лабораторных исследований.3 ил.

Изобретение относится к горному делу, а именно к буровой технике, и предназначено для исследования режимов бурения горных пород. Техническим результатом является повышение точности измерения режимных параметров бурения за счет возможности независимого приложения к отрезку буровой штанги с буровым инструментом крутящего момента, усилия подачи, импульсов крутящего момента и импульсов осевого усилия. Стенд содержит опорную плиту, отрезок буровой штанги с буровым инструментом, установленный в опорах, гидроцилиндр подачи, тензометрические звенья, вращатель, образец породы. Стенд дополнительно содержит ударный механизм-возбудитель импульсов осевых усилий и ударный механизм-возбудитель импульсов крутящего момента, закрепленные на опорах, расположенных на неподвижной опорной плите, ударные механизмы-возбудители импульсов осевых усилий и импульсов крутящего момента закреплены с возможностью передачи импульсов осевых усилий и импульсов крутящего момента на штангу с буровым инструментом через тензометрические звенья, причем вращатель, с закрепленным на его валу образцом породы, размещен в податчике, имеющем возможность перемещения по направляющим рамы. 3 ил.

Изобретение относится к механическим испытаниям горных пород и материалов, имеющих хрупкий характер разрушения, и может быть использовано при инженерно-геологических изысканиях. Сущность: осуществляют нагружение образца двумя встречно направленными сферическими инденторами до его раскалывания, фиксируют разрушающую силу, определяют в разрушенном образце площадь поверхности трещины отрыва, проходящую через ось нагружения, и геометрические параметры разрушенных зон в областях контакта с обоими сферическими инденторами, вычисляют растягивающее напряжение разрыва образца и среднее сжимающее напряжение на границе большей из разрушенных зон и определяют в качестве механических свойств образца предел прочности и сопротивление срезу. Из обломков разрушенного образца собирают составной образец, на торцах которого определяют геометрические параметры разрушенных зон - диаметр остаточных отпечатков от инденторов и длину лунок выкола вдоль поверхности трещины отрыва. Определяют площадь поверхности большей разрушенной зоны на контакте с инденторами, предел прочности при всестороннем растяжении, максимальное сопротивление срезу и коэффициент Пуассона по формулам. Технический результат: упрощение испытаний, повышение точности определения механических свойств образцов и информативности испытаний. 5 табл., 2 ил.

Изобретение относится к горному делу, используется для прогноза и контроля разрушения массивов горных пород при изменении их напряженно-деформированного состояния. Технический результат - получение дополнительной информации о состоянии участка массива и детализация процесса его разрушения во времени. Способ включает регистрацию во времени сигналов электромагнитного излучения (ЭМИ), измерение их спектральных амплитуд и построение по результатам измерений спектрально-временной матрицы этих амплитуд по мере роста частоты и времени, определение частотных поддиапазонов по мере роста частоты и выделение в каждом из них близких по значениям спектральных амплитуд. На матрице выделяют незамкнутыми линиями три группы увеличивающихся во времени близких по значениям спектральных амплитуд. Наблюдают на матрице в каждой группе расширение во времени поддиапазонов частот и площадей каждой группы, по которым судят о нарастании процесса разрушения участка массива горных пород. Одновременно с выделением групп на матрице последовательно регистрируют в каждый момент i времени разности между максимальной и минимальной величинами из близких по значениям спектральных амплитуд сигналов ЭМИ, соотношения этих разностей, разность этих соотношений и количество спектральных амплитуд в каждой группе в каждый момент времени. По уменьшению указанных соотношений и их разностей, последующей их стабилизации во времени и по увеличению количества этих амплитуд в третьей группе судят о начале интенсивного возникновения трещин. 2 ил.

Изобретение относится к способу и устройству для повышения добычи в месторождении, содержащем породу, которая включает в себя по меньшей мере один раскрываемый путем размельчения породы минерал ценного материала и по меньшей мере один другой минерал. Способ включает следующие этапы: выполнение процесса бурения посредством буровой установки для выемки породы, регистрацию по меньшей мере одного предопределенного параметра бурения для буровой установки, регистрацию по меньшей мере одного измеренного значения, характеризующего текущий режим бурения буровой установки, и выполнение вычислительного исключения зависимости по меньшей мере одного измеренного значения от по меньшей мере одного параметра бурения, причем получают по меньшей мере одну характеристику, зависимую от текстуры породы, и причем эту по меньшей мере одну характеристику применяют как меру величины зерна минерала для по меньшей мере одного минерала ценного материала в породе и для установления оптимальной степени размельчения при размельчении породы. 2 н. и 14 з.п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к горному делу и может быть использовано для определения газоносности пласта, динамики давления и температуры выделяющегося из угля газа в изолированном объеме при различных значениях остаточной газоносности и сорбционной метаноемкости. Техническим результатом является обеспечение повышения надежности, точности и оперативности определения газокинетических характеристик пласта. Предложен способ определения газокинетических характеристик угольного пласта, включающий бурение скважин с отбором проб выбуриваемого угля в пробоотборные герметизируемые стаканы и негерметичные емкости с доставкой их в лабораторию для определения газоносности, истинной и кажущейся плотности, фракционного и технического состава угля. При этом в процессе бурения транспортирование угля к устью скважины выполняют путем ее продувки сжатым воздухом, причем устье скважины оборудуют сепарирующими угольный поток ситами с отверстиями, уменьшающимися по мере удаления от устья скважины. Выпадающую между ситами сепарированную пробу угля помещают в пробоотборный стакан и герметизируют крышкой, имеющей соединение с газовой магистралью. Причем в указанном пробоотборном стакане размещены электронные датчики давления и температуры для регистрации их показаний во времени, на основании которых судят о скорости и энергии выделяющегося газа, и металлические шарики для измельчения пробы на вибростоле, для анализа пробы угля в лабораторных условиях. 3 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к горному делу и может быть использовано при текущем прогнозе выбросоопасности угольных пластов. Техническим результатом изобретения является повышение надежности определения выбросоопасных зон в угольных пластах. Предложен способ определения выбросоопасных зон в угольных шахтах, включающий поинтервальное бурение скважины в забое подготовительной выработки, измерение на каждом интервале выхода буровой мелочи и начальной скорости газовыделения и определение возможности существования в угольном пласте твердых растворов природного газа по типу газовых гидратов. После чего в пробуренной скважине измеряют удельное электросопротивление угольного пласта и строят график зависимости удельного электросопротивления угольного пласта от расстояния вдоль оси скважины, с помощью которого определяют ширину зоны угольного пласта, содержащей твердый раствор природного газа по типу газовых гидратов. Далее определяют показатель выбросоопасности Rn с учетом ширины зоны угольного пласта, содержащей твердый раствор природного газа по типу газовых гидратов, и естественной влажности угольного пласта. При этом на исследуемом участке угольного пласта на расстоянии 0,75÷1,25 м от первой скважины бурят вторую скважину. После чего определяют скорость упругих волн в массиве между скважинами, для чего помещают в обе скважины пьезодатчики, которые перемещают с шагом 0,15÷0,25 м одновременно в обеих скважинах. Причем участки угольного пласта, на которых удельное электросопротивление больше в 50÷100 раз удельного электросопротивления соседних участков, содержат твердый раствор природного газа по типу газовых гидратов, если скорость упругих волн в них составляет порядка 2,0÷2,5 км/с. 4 ил.

Изобретение относится к горному делу и предназначено для определения изменения напряженного состояния горного массива

Наверх