СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ИЗМЕНЕНИЯ НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ ГОРНОГО МАССИВА
METHOD TO DETERMINE VARIATION OF STRESSED CONDITION OF ROCK MASSIF

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.
1
2
3
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 P, P и P, соответственно.
1
1
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 P, 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 P. 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.
1
2
3
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 P, P и P, 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.