СТЕНД ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ТВЕРДОГО ТЕЛА, НАПРИМЕР ОБРАЗЦА ГОРНОЙ ПОРОДЫ
BENCH FOR RESEARCH OF ELECTROMAGNETIC RADIATION OF SOLID BODY, FOR INSTANCE, ROCK SAMPLE

Техническое решение относится к горному делу и может использоваться для исследования электромагнитного излучения (ЭМИ) образцов горных пород при их разрушении.
Известно устройство для регистрации ЭМИ деформируемых твердых тел, например образцов горных пород, по патенту РФ №2172005, кл. G01V 3/12, G01R 29/08, Е21С 39/00, опубл. в БИ №22, 2001 г. Оно содержит соосно установленные цилиндрические элементы с осевой полостью, блок развязки, блок обработки сигналов и источник питания. В качестве цилиндрических элементов с осевой полостью использован трехзвенный цилиндрический емкостной датчик, содержащий средний и первый и второй крайние цилиндрические емкостные элементы, в осевой полости которых размещен деформируемый образец. Блок развязки выполнен на трех операционных усилителях, соединенных между собой по дифференциальной схеме, в которой два операционных усилителя использованы в качестве повторителей напряжений, а третий - в качестве электрометрического вычитателя сигналов. Выходы первого и второго крайних цилиндрических емкостных элементов трехзвенного цилиндрического емкостного датчика соединены с неинвертирующими высокоомными входами соответственно первого и второго операционных усилителей блока развязки, выходы которых подключены к соответствующим входам третьего операционного усилителя, а выход последнего подключен к блоку обработки сигналов.
Малая эффективность этого устройства состоит в отсутствии в нем нагрузочного механизма для разрушения твердого тела с целью воспроизведения ЭМИ. Поэтому его можно использовать только при наличии дополнительного оборудования. Причем это оборудование нельзя менять. Иначе из-за разного характера нагружения твердого тела будут разные показания параметров ЭМИ для одинаковых твердых тел.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является стенд для исследования ЭМИ деформируемого до разрушения твердого тела, например образца горной породы, по патенту РФ №2253098, кл. G01N 3/08, G01N 27/00, опубл. в БИ №15, 2005 г. Он включает заключенные в электромагнитный экран конденсаторный преобразователь ЭМИ, нагрузочное устройство, содержащее металлический корпус, связанный с заземленным основанием, и первый и второй металлические стержни, противоположно установленные в осевой полости металлического корпуса, при этом первый металлический стержень установлен с возможностью поступательного движения, датчик силы, систему регистрации, включающую усилители, аналого-цифровой преобразователь и компьютер, и экранированные кабели. Металлический корпус нагрузочного устройства выполнен в виде пустотелого кругового цилиндра, который одновременно является первой обкладкой конденсаторного преобразователя ЭМИ. Первый и второй металлические стержни нагрузочного устройства выполнены в форме болтов и установлены в осевых отверстиях соответственно первой и второй центрирующих втулок нагрузочного устройства, имеющих резьбу по внешнему и внутреннему диаметрам и установленных со стороны имеющих резьбу по внутреннему диаметру концевых участков металлического корпуса нагрузочного устройства. Первая центрирующая втулка нагрузочного устройства выполнена из металла, а вторая - из диэлектрика, например эбонита, и имеет форму болта. Между установленными в пустотелом круговом цилиндре нагрузочного устройства первым и вторым металлическими стержнями последовательно размещены датчик силы в металлическом корпусе, промежуточная пластина и деформируемое твердое тело. Первый и второй металлические стержни установлены с возможностью поступательного движения путем поворота их головок. Конец второго из них, размещенного со стороны деформируемого твердого тела, имеет форму конического индентора. Второй металлический стержень служит второй обкладкой конденсаторного преобразователя.
Стенд является относительно сложным. Кроме того, он не обеспечивает возможность создания внутри твердого тела сплошной одиночной трещины с заданными размерами, ориентацией и скоростью роста. Для формирования электромагнитного поля твердое тело разрушают внедрением в него конического индентора, что приводит к образованию множества трещин с произвольными размерами и ориентацией. При этом электромагнитное поле обуславливается одновременным излучением множества источников (трещин) со случайной диаграммой направленности и мощностью. Это существенно усложняет нахождение зависимостей параметров принимаемых сигналов от характера разрушения твердого тела. Поэтому такой стенд имеет сравнительно малую эффективность.
Решаемая техническая задача заключается в повышении эффективности стенда за счет формирования электромагнитного поля путем создания внутри твердого тела сплошной одиночной трещины с заданными размерами, ориентацией и скоростью роста, а также в снижении стоимости и повышении надежности работы стенда за счет упрощения его конструкции.
Задача решается тем, что в стенде для исследования ЭМИ твердого тела, например образца горной породы, включающем электромагнитный экран, конденсаторный преобразователь ЭМИ, нагрузочное устройство, содержащее металлический корпус, систему регистрации, согласно предлагаемому техническому решению нагрузочное устройство выполнено в виде втулки с внутренней резьбой, в которую вкручен винт и на которую надет металлический стакан и закреплен на ней, в указанную втулку со стороны, противоположной винту, вставлена втулка из диэлектрического материала, в которую вставлена металлическая трубка с продольными прорезями, электрически соединенная с системой регистрации, при этом втулка с внутренней резьбой и металлическая трубка заполнены пластичным веществом.
Такое техническое решение позволяет осуществлять внутри твердого тела управляемый разрыв пластичным веществом с образованием сплошной одиночной трещины с заданными размерами, ориентацией и скоростью роста. Согласно проведенным исследованиям пластичное вещество типа пластилина, обладающего свойством герметика, не продавливается через резьбовое соединение винта с втулкой при давлении, превышающем 100 МПа. Поэтому втулка с внутренней резьбой, в которую вкручен винт, способна создавать внутри твердого тела давление, достаточное для разрушения горной породы любой прочности. Отметим, что наиболее прочные горные породы, например граниты и их аналоги, разрываются при давлении, меньшем 40 МПа. Надетый на втулку с внутренней резьбой металлический стакан вместе с указанной втулкой образуют электромагнитный экран, исключающий воздействие на твердое тело внешних источников электромагнитной энергии, например радиостанций или электрических разрядов различной природы. Втулка из диэлектрического материала исключает электрический контакт между вставленной в нее металлической трубкой с продольными прорезями и электромагнитным экраном. Металлическая трубка с продольными прорезями выполняет две функции. Во-первых, она обеспечивает заданную ориентацию формируемой сплошной одиночной трещины, которая возникает и развивается в плоскости расположения продольных прорезей. Во-вторых, указанная трубка вместе с электромагнитным экраном образует конденсаторный преобразователь ЭМИ и обеспечивает передачу сигналов от формируемой трещины к системе регистрации. Отметим, что заданные размеры формируемой трещины обеспечиваются фиксированным объемом поданного в нее пластичного вещества, что достигается вращением винта на соответствующее число оборотов. Скорость роста трещины достигается расходом пластичного вещества, т.е. скоростью вращения винта. Таким образом, обеспечивается возможность исследования ЭМИ твердого тела, например образца горной породы, обусловленного возникновением и ростом внутри него сплошной одиночной трещины. Значимость таких исследований для горного дела состоит в том, что образование сплошных трещин в породном массиве является явным признаком начала потери устойчивости горных выработок (возникновения опасной ситуации), что может быть выявлено и оценено по установленным на стенде закономерностям ЭМИ твердых тел при разрушении. При этом использование стенда снижает затраты на исследования, ибо он (без системы регистрации) состоит из нескольких простых деталей, которые могут быть изготовлены практически в любой механической мастерской, имеющей токарный станок. В результате повышается эффективность стенда за счет формирования электромагнитного поля путем создания внутри твердого тела сплошной одиночной трещины с заданными размерами, ориентацией и скоростью роста, а также снижается стоимость и повышается надежность работы стенда за счет упрощения его конструкции.
Целесообразно на противоположном винту конце втулки выполнить ступенчатое расширение и скрепить его с металлическим стаканом резьбовым соединением. Это повышает надежность сцепления металлического стакана и указанной втулки и позволяет без изменения размеров последней и винта увеличить пространство для размещения твердого тела больших размеров, что повышает возможности стенда и, следовательно, его эффективность.
Целесообразно на дне металлического стакана и свободном от винта конце втулки установить прокладки из диэлектрического материала. Это для горных пород, обладающих повышенной электрической проводимостью, например, имеющих металлические либо графитовые вкрапления, уменьшает утечку через них электромагнитной энергии, минуя трубку с продольными прорезями. В результате уменьшаются искажения принимаемого сигнала, что повышает достоверность результатов исследований, следовательно, и эффективность работы стенда.
Сущность технического решения поясняется примером конкретного исполнения стенда и чертежами фиг.1 и 2.
На фиг.1 показана схема стенда для исследования ЭМИ твердого тела, например образца горной породы, без системы регистрации, продольный разрез; на фиг.2 - разрез А-А на фиг.1.
Стенд для исследования ЭМИ твердого тела, например образца горной породы, (фиг.1) включает нагрузочное устройство, выполненное в виде металлической втулки 1 с внутренней резьбой 2, в которую вкручен винт 3 с головкой 4 под ключ для вращения. На втулку 1 надет металлический стакан 5 (далее - стакан 5). На противоположном винту 3 конце втулки 1 выполнено ступенчатое расширение 6 (далее - расширение 6) и скреплено со стаканом 5 резьбовым соединением 7. Во втулку 1 со стороны, противоположной винту 3, вставлена втулка 8 из диэлектрического материала (далее - втулка 8), в которую вставлена металлическая трубка 9 (далее - трубка 9) с продольными прорезями 10 (фиг.2), подсоединенная через проводник 11 тока к установленному на втулке 1 разъему 12 для подключения к системе регистрации. На дне стакана 5 и свободном от винта 3 конце втулки 1 установлены соответственно прокладки 13 и 14 из диэлектрического материала (далее - прокладки 13 и 14). Во втулку 1 и трубку 9 подано пластичное вещество 15. В прокладке 14 выполнена канавка 16, а во втулке 1 - отверстие 17 для пропуска проводника 11 тока от трубки 9 к разъему 12. В стакан 5 помещено твердое тело 18, например образец горной породы, с отверстием (не обозначено), в которое вставлена трубка 9. В твердом теле 18 сформирована трещина 19. Электромагнитный экран образован стаканом 5 и втулкой 1, а конденсаторный преобразователь ЭМИ - электромагнитным экраном и трубкой 9.
Работа стенда осуществляется следующим образом.
Втулку 1 и трубку 9 заполняют пластичным веществом 15. Твердое тело 18 насаживают отверстием на трубку 9. На расширение 6 навинчивают стакан 5 до контакта твердого тела 18 с прокладками 13 и 14. К разъему 12 через коаксиальный кабель подключают систему регистрации. Во втулку 1 вкручивают винт 3 с заданной скоростью и на заданное число оборотов. При этом пластичное вещество 15 через продольные прорези 10 трубки 9 воздействует на твердое тело 18 и образует внутри него трещину 19 в плоскости расположения продольных прорезей 10. Трещина 19 во время возникновения и роста излучает электромагнитную энергию, которая улавливается трубкой 9 и через разъем 12, электрически связанный с трубкой 9 проводником 11 тока, передается системе регистрации.
Стенд позволяет проводить исследования ЭМИ твердых тел 18 любой формы. Подготовка твердого тела 18 к исследованиям заключается лишь в сверлении в нем отверстия под внешний диаметр трубки 9. Размеры твердого тела 18 ограничиваются только размерами стакана 5, которые при необходимости можно подбирать до нужных значений. Сход твердого тела 18 с трубки 9 под действием разрывающего его давления пластичного вещества 15 исключается упором твердого тела 18 через прокладку 13 в дно стакана 5. Пластичное вещество 15 выполняет также функцию герметика. Поэтому дополнительных герметизирующих элементов для поддержания давления разрыва твердого тела 18 не требуется. Ориентацию трещины 19 осуществляют для исследования анизотропных особенностей твердого тела 18.
Техническое решение основано на использовании сочетания результатов исследований по разрушению горных пород пластичными веществами 15 и ЭМИ твердых тел 18 при возникновении и росте в них трещин 19. Принципиальное отличие разрушения твердых тел 18 пластичными веществами 15 от других известных способов состоит в том, что пластичные вещества 15 не являются жидкостями, так как не подчиняются законам гидравлики, и их нельзя причислить к твердым хрупким телам, ибо они способны многократно изменять форму без внутренних разрывов. Вместе с этим они одновременно проявляют свойство жидкости и твердого хрупкого тела. Как жидкость пластичное вещество 15 передает давление и тем самым способно создавать эффект гидравлического усиления. Как твердое хрупкое тело оно внедряется в разрушаемую среду в виде клина. Однако, в отличие от механического клина, клин из пластичного вещества 15 приобретает форму поверхностей трещины 19. Поэтому на контакте разрушаемой среды и пластичного вещества 15 напряжения распределяются равномерно, не концентрируясь в точках, в которых могут возникать трещины в произвольных плоскостях. В результате, используя пластичное вещество 15, можно передавать давление, достаточное для разрыва горной породы любой прочности, и проводить внутри твердого тела 18 разрывы без возникновения множества мелких трещин со случайными размерами и ориентацией. Согласно многочисленным экспериментам пластичные вещества 15 обеспечивают возможность управлять процессом разрыва и простыми техническими средствами формировать внутри твердых тел 18 сплошные одиночные трещины 19 заданных размеров, формы и ориентации.
В стенде предусмотрена возможность исследования твердых тел 18, обладающих повышенной электрической проводимостью. Для этого в нем установлены прокладки 13 и 14, исключающие электрический контакт твердого тела 18 и экранирующих его элементов (втулки 1 и стакана 5). Кроме этого через разъем 12 на трубку 9 можно подавать постоянное или переменное напряжения для выявления роли скачкообразного изменения электрической проводимости и диэлектрической проницаемости твердого тела 18, обусловленного его разрушением, в процессе ЭМИ. Стенд обеспечивает исследование ЭМИ образцов горной породы любой формы, прочности, различных размеров и физических свойств. Подготовка образцов к исследованию сводится лишь к сверлению в них отверстий под трубку 9. В ЭМИ отсутствуют искажения, обусловленные одновременным возникновением и развитием множества трещин произвольных размеров и ориентацией.