Способ оценки влияния взрывного воздействия на напряженно-деформированное состояние массива горных пород
METHOD FOR ESTIMATING THE INFLUENCE OF THE EXPLOSIVE IMPACT ON THE STRESS-STRAIN STATE OF THE ROCK MASSIF

Изобретение относится к горному делу, в частности к неразрушающим методам контроля состояния горных пород, и может быть использовано для определения состояния, предшествующего разрушению горного массива, зданий и сооружений, а также прогноза катастрофических проявлений.
Известны способы определения состояния массивов горных пород, основанные на регистрации эмиссий (акустической или электромагнитной) с последующим анализом их параметров, таких как частота, амплитуда и пр., используя которые судят о наступлении состояния, предшествующего разрушению массива горных пород [Патент РФ №2535329 Е21С 39/00 от 16.10.2013 г.; Патент РФ №2215149 Е21С 49/00, Е21С 39/00 от 01.07.1999 г.].
Основными недостатками данных способов является достаточно низкая точность прогноза в связи с неопределенностью критериев таких эмиссий, характеризующих сам процесс разрушения.
Известны способы прогноза состояния предразурушения, основанные на оптическом контроле положения датчиков, установленных непосредственно на исследуемом массиве пород [Патент РФ №2421615 Е21С 39/00 от 15.02.2010 г.].
Недостатками данных способов является низкая точность прогнозов в связи с неопределенностью показателей смещения датчиков, которые характеризовали бы сам катастрофический процесс, а также ограниченная применимость в горных выработках ввиду интенсивного загрязнения датчиков и устройства регистрации их сигналов.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является способ определения состояния, предшествующего разрушению горных пород, и устройство для его осуществления. Способ включает создание измерительного объема, представляющего собой шпур или скважину, и источника динамического нагружения, и измерение изменений генерации микро- и наноразмерных минеральных частиц в зависимости от нагрузки, испытываемой объектом или приложенной к нему [Патент РФ №2442120 G01M 7/02 от 18.05.2010 г. (прототип)].
Недостатком этого способа является низкая точность прогноза ввиду недостаточности действия сил, необходимых для отрыва уже разрушенных частиц, находящихся внутри измеряемого объема, и, как следствие, недостаточной точности измерения их эмиссии.
Технической задачей изобретения является повышение точности и достоверности оценки напряженно-деформированного состояния массива горных пород.
Указанная цель достигается тем, что в способе оценки напряженно-деформированного состояния массива горных пород массив горных пород, находящийся в естественном напряженном состоянии, подвергают взрывному воздействию в шпуре, пробуренном в этом массиве, регистрируют эмиссию субмикронных частиц.
По увеличению эмиссии частиц судят о более существенном влиянии взрыва на исследуемый объект. При этом изменение параметров регистрируемой эмиссии частиц при условии неизменного взрывного воздействия является следствием изменения его напряженного состояния.
Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором приведена схема устройства для оценки напряженно-деформированного состояния массива горных пород.
На чертеже показаны исследуемый массив горных пород - 1, счетчик аэрозольных частиц - 2 с насосом (не показан), пробоотборные трубки - 3, измерительный объем - 4 (шпур или скважина), объем, в который помещается источник взрывного воздействия, - 5(шпур или скважина), источник взрывного воздействия - 6 (капсюль-детонатор или электродетонатор), воздушный фильтр - 7, герметизирующая заглушка - 8
Способ реализуется следующим образом. В массиве горных пород - 1 создается два объема - измерительный объем - 4, представляющий собой шпур или скважину, который закрывается герметизирующей заглушкой, и объем - 5 (шпур или скважина), в который помещается источник взрывного воздействия - 6. В измерительный объем - 4 помещаются две пробоотборные трубки - 3, выходной конец одной из которых сквозь герметизирующую заглушку - 8 соединяется со входом счетчика аэрозольных частиц - 2 с насосом, а конец другой - с воздушным фильтром - 7, который обеспечивает поступление воздуха внутрь измерительного объема, ограничивая попадание туда пылевидных фракций из окружающей атмосферы. Производится подрыв источника взрывного воздействия - 6 и посредством счетчика аэрозольных частиц - 2 с насосом регистрируются параметры эмиссии субмикронных частиц, характеризующие состояние объекта, по изменению которых оценивают изменение напряженно-деформированного состояния объекта.
Для оценки напряженно-деформированного состояния массива горных пород в объекте исследований создают две полости - измерительный объем - 4, представляющий собой шпур или скважину, и объем - 5, в который помещается источник взрывного воздействия - 6, например, капсюль-детонатор или электродетонатор, который впоследствии взрывается, и регистрируются параметры эмиссии, характеризующие состояние объекта исследований, по изменению которых оценивают изменение напряженно-деформированного состояния объекта исследований. Внутренний объем измерительного шпура или скважины герметизируют таким образом, чтобы внутренний объем шпура или скважины соединялся с атмосферой только посредством воздушного фильтра - 7, производится взрывание источника взрывного воздействия - 6, после чего отбираются пробы воздуха из измерительного объема - 4, и регистрируется эмиссия субмикронных частиц, образовывавшихся в измерительном объеме - 4. Для оценки состояния исследуемой породы используют функцию распределения по размерам частиц и их счетную концентрацию, которые генерируются в измерительном объеме - 4 исследуемой горной породы. Об изменении напряженно-деформированного состояния судят по повышению счетной концентрации генерируемых частиц и по сдвигу в сторону больших значений медианы функции распределения частиц по размерам.
В процессе отбора проб из измерительного объема - 4 исследуемая горная порода подвергается квазистатическому сжатию совместно с действием источника взрывного воздействия - 6.
Способ реализуется по схеме устройства для оценки напряженно-деформированного состояния массива горных пород.
В горном массиве - 1 бурят два объема - 4 и - 5 (шпур или скважина), которые очищают от мелкодисперсной пыли. В измерительный объем - 4 устанавливают пробоотборные трубки - 5, пропустив их через герметизирующую заглушку - 8. На находящемся вне измерительного объема - 4 выходном конце первой пробоотборной трубки - 3 устанавливают воздушный фильтр - 7. Выходной конец второй пробоотборной трубки присоединяют к входу счетчика аэрозольных частиц - 2 с насосом. Таким образом, измерительный объем - 4 оказывается герметизирован. В объем - 5 помещают источник взрывного воздействия - 6 (капсюль-детонатор или электродетонатор), оказывающий взрывное воздействие на исследуемый массив горных пород - 1. Во время работы счетчика аэрозольных счетчик частиц - 2 встроенный в него насос отбирает из измерительного объема - 4 пробы воздуха (поступающего из окружающей среды, например, из горной выработки), очищенные от частиц посредством воздушного фильтра - 7. Таким образом, регистрируемые счетчиком частицы генерируются локальными дефектами исследуемого массива горных пород, что позволяет определить эмиссию субмикронных частиц и по увеличению эмиссии частиц судят о более существенном влиянии взрыва на исследуемый объект. При этом изменение параметров регистрируемой эмиссии частиц при условии неизменного взрывного воздействия является следствием изменения его напряженного состояния.
Таким образом действие устройства для оценки напряженно-деформированного состояния массива горных пород основано на том, что с увеличением квазистатической нагрузки совместно с действием источника взрывного воздействия наблюдается увеличение эмиссии субмикронных частиц с поверхности исследуемого объекта. В результате увеличения нагрузки происходит рост дефектов, и при приближении значения напряжения сжатия к предельному увеличивается эмиссия частиц, выделяющихся с поверхности исследуемого объема.