СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СОСТОЯНИЯ, ПРЕДШЕСТВУЮЩЕГО РАЗРУШЕНИЮ ГОРНЫХ ПОРОД И СТРОИТЕЛЬНЫХ СООРУЖЕНИЙ, И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD FOR DETERMINING CONDITION PRECEDING DESTRUCTION OF ROCKS AND BUILDING STRUCTURES, AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Изобретение относится к горному делу, в частности к неразрушающим методам контроля горных пород, строительных материалов и конструкций, и может быть использовано для определения состояния, предшествующего разрушению (предразрушению) горного массива, зданий, сооружений и прогноза катастрофических ситуаций, а также для лабораторных исследований образцов горных пород и строительных материалов. Способ определения состояния предразрушения основан на закономерности изменения генерации микро- и наноразмерных минеральных частиц в зависимости от нагрузки, испытываемой исследуемым объектом или приложенной к нему.
Известны способы прогноза разрушения массива горных пород, использующие регистрацию сигналов электромагнитного излучения (ЭМИ) и последующий анализ их параметров (длительности, амплитуд, спектрального состава и др.), по результатам которого судят о наступлении состояния, предшествующего разрушению, а также устройства для их осуществления [1]. Недостатком указанных способов является низкая точность прогноза разрушения массива горных пород, связанная с неопределенностью критериев ЭМИ, характеризующих собственно процесс разрушения.
Для определения состояния, предшествующего разрушению строительных сооружений, используется способ контроля качества бетонирования строительных конструкций. Сущность этого метода состоит в том, что в свежеуложенную бетонную смесь устанавливают группу датчиков, производят регистрацию координат источников сигнала акустической эмиссии в объеме твердеющего бетона и по отсутствию координат сигналов определяют участки, незаполненные бетоном, по которым судят о качестве бетонирования [2].
Недостатком данного способа является то, что он предназначен только для контроля качества бетонирования строительных конструкций и не может быть использован для оценки сложно-деформированного состояния сооружений, которые были возведены ранее.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является способ определения изменений напряженного состояния массива горных пород во времени и устройство для его осуществления. Способ включает образование выработки или скважины, образующих измерительный объем, и измерение изменений напряженного состояния окружающего массива путем помещения в выработку или скважину датчиков ИК-излучения, по показаниям которых измеряют изменение мощности потока этого излучения, строят графики изменения мощности во времени и фиксируют моменты изменений напряженного состояния в зонах поверхности участков. В устройстве используются бесконтактные датчики ИК-излучения, размещенные в корпусе специальным образом для контроля определенных участков поверхности выработки или скважины [3].
Недостатком указанного способа также является низкая точность прогноза разрушения массива горных пород из-за неопределенности критериев ИК-излучения, характеризующих собственно процесс разрушения, необходимость предварительного знания теплофизических характеристик породы. Кроме того, этим способом невозможно исследование небольших образцов горных пород и строительных материалов. К недостаткам устройства следует отнести значительное число датчиков, требуемых для реализации способа, сложность анализа результатов измерений.
Целью изобретения является повышение точности и достоверности определения состояния, предшествующего разрушению образцов горных пород, массива горных пород и строительных конструкций.
Предлагаемый способ определения состояния, предшествующего разрушению горных пород и строительных сооружений, и действие устройства для его осуществления базируются на том факте, что с ростом нагрузки растет количество генерируемых с поверхности минеральных частиц в микро- и нанодиапазоне размеров. Это объясняется тем, что при увеличении нагрузки происходит рост дефектов неоднородно по образцу, и чем ближе напряжения к предельным напряжениям в образце или массиве горной породы (строительном материале или сооружении), тем больше прирост числа этих частиц. Размеры большей части генерируемых с поверхностей частиц превышают размеры «обычных» аэрозольных частиц, что приводит к тому, что медиана функции распределения по размерам регистрируемых при этом аэрозольных частиц сдвигается в сторону больших значений.
Указанная закономерность была доказана экспериментально на многих образцах горных пород и строительных материалов и иллюстрируется ниже на фиг.1.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 иллюстрируется эффект образования частиц с поверхности разрушающегося образца горной породы или строительного материала.
На фиг.1 представлены результаты измерения распределения по размерам частиц, образовавшихся при скалывании небольшого фрагмента образца доломита. Виден рост (в 2,7 раз) общего числа аэрозольных частиц, зарегистрированных при этом счетчиком и изменение медианы функции распределения с 0,6 мкм до 0,9 мкм (расчеты проводились без учета фона, т.е. данных по частицам 0,3-0,5 мкм).
На фиг.2 приведена принципиальная схема устройства для определения состояния предразрушения массива горных пород (строительных сооружений), где 1 - объект исследования (массив горных пород или строительное сооружение), 2 - шпур, созданный в исследуемом объекте, 3 - счетчик аэрозольных частиц, 4 - первая пробоотборная трубка, 5 - вторая пробоотборная трубка, 6 - высокоэффективный воздушный фильтр, 7 - герметичная заглушка.
На фиг.3 представлена принципиальная схема устройства для определения состояния предразрушения горных пород (строительных материалов), рассчитанная на исследование образцов. Кроме того, это устройство реализует способ определения состояния, предшествующего разрушению горных пород и строительных материалов, в котором в процессе периодического отбора проб воздуха из внутреннего объема сквозного отверстия исследуемый образец породы или материала дополнительно подвергается ступенчатому одноосному сжатию. На фиг.3 использованы аналогичные обозначения: 1 - объект исследования (образец горной породы или строительного материала), 2 - сквозное отверстие, созданное в исследуемом объекте, 3 - счетчик аэрозольных частиц, 4 - первая пробоотборная трубка, 5 - вторая пробоотборная трубка, 6 -высокоэффективный воздушный фильтр, 7 - герметичные заглушки.
На фиг.4 представлен пример реализации способа.
Способ реализуется следующим образом. В способе определения состояния, предшествующего разрушению горных пород и строительных материалов, заключающемся в том, что в исследуемой породе или строительном материале предварительно создают измерительный объем, периодически регистрируют один или несколько параметров, характеризирующих состояние исследуемой породы или материала, и по его изменению судят о наступлении состояния, предшествующего разрушению, измерительный объем выполняют в виде шпура или сквозного отверстия, внутренний объем шпура или отверстия герметизируют таким образом, чтобы внутренний объем шпура или отверстия соединялся с атмосферой через высокоэффективный воздушный фильтр, после чего периодически отбирают пробы воздуха из внутреннего объема шпура или отверстия и фиксируют количество частиц, которые образовались в объеме шпура или сквозного отверстия, при этом в качестве параметров, характеризующих состояние исследуемой породы или материала, используют счетную концентрацию и функцию распределения по размерам частиц, генерируемых во внутреннем объеме шпура или отверстия исследуемой породы, или материала, а о наступлении состояния, предшествующего разрушению, судят по повышению счетной концентрации генерируемых частиц и по сдвигу в сторону больших значений медианы функции распределения частиц по размерам.
Кроме того, в процессе периодического отбора проб воздуха из внутреннего объема шпура или сквозного отверстия исследуемая порода или материал дополнительно может подвергаться ступенчатому одноосному сжатию.
Пример реализации способа.
Для определения состояния, предшествующего разрушению (предразрушению), использовалось устройство, изображенное на фиг.3. Образец доломита подвергался ступенчатому одноосному сжатию. Регистрация числа частиц и их дисперсного состава проводилась с помощью счетчика аэрозолей каждые 20 секунд. Результаты измерений представлены на фиг.4. По оси ординат отложено число частиц, генерируемых за время каждого единичного измерения (т.е. каждые 20 сек) для 6 различных диапазонов размеров частиц. По оси абсцисс отложено время (выраженное в порядковом номере последовательных измерений; каждое измерение длилось 20 сек). Во время измерений №5 (100 сек с момента начала измерений) и №23 (460 сек с момента начала измерений) на поверхности нагружаемого образца происходили сколы. В момент измерения №28 (5 мин 20 сек с момента начала измерений) образец полностью разрушился.
Видно, что по мере роста нагрузки растет число генерируемых частиц, причем наиболее заметен рост числа более крупных частиц размером 1-5 мкм (на порядок и более). Число частиц растет по мере приближения к критической нагрузке и быстро падает после разрушения образца (генерация со свободных поверхностей прекращается).
Таким образом, повышение счетной концентрации генерируемых аэрозольных частиц и сдвиг в сторону больших значений медианы функции распределения частиц по размерам являются предвестниками состояния, предшествующего разрушению. Техническим результатом этого является возможность контроля состояния предразрушения не только образцов горных пород и строительных материалов, но и реальных объектов - массивов горных пород и строительных сооружений и конструкций, в особенности крупных подземных сооружений. На основании полученных результатов становится возможным также прогноз катастрофических ситуаций.
Указанная цель в устройстве для определения состояния, предшествующего разрушению горных пород и строительных материалов, содержащем измерительный прибор и зонд, размещаемый внутри измерительного объема, созданного в горной породе или строительном материале, достигается тем, что в качестве измерительного прибора используется счетчик аэрозольных частиц, а зонд выполнен в виде двух пробоотборных трубок, продольные оси которых параллельны или совпадают, снабженных одной или более герметичными заглушками, причем на находящемся вне измерительного объема входном конце первой пробоотборной трубки установлен высокоэффективный воздушный фильтр, а выходной конец второй пробоотборной трубки присоединен ко входу счетчика аэрозольных частиц, при этом длина пробоотборных трубок выбирается таким образом, чтобы выходной конец первой пробоотборной трубки и входной конец второй пробоотборной трубки находились в противоположных сторонах измерительного объема.
Устройство работает следующим образом. В горном массиве или строительном сооружении 1 бурят шпур 2, который тщательно отчищают от мелкодисперсной пыли. Шпур (канал) можно образовать и другими способами, например, создав его при затвердевании бетона, заложив в бетон при сооружении резиновую трубку и затем вытащив ее после затвердевания.
В шпур устанавливают пробоотборные трубки 4 и 5, пропустив их через герметичную заглушку 7. На находящемся вне объема шпура входном конце первой пробоотборной трубки 4 устанавливают высокоэффективный воздушный фильтр 6. Выходной конец второй пробоотборной трубки 5 присоединяют ко входу счетчика аэрозольных частиц 3.
Таким образом, внутренний объем шпура 2 оказывается герметизирован. При работе счетчика частиц 3 встроенный в него насос отбирает из внутреннего объема шпура пробу воздуха. Поступающий вследствие этого в объем наружный воздух проходит через высокоэффективный воздушный фильтр 6 и оказывается очищенным от частиц, что позволяет утверждать, что зарегистрированные счетчиком частицы генерируются именно при локальном образовании трещин и иных дефектов поверхности исследуемого объекта. Для организации лучшего пробоотбора (из всего внутреннего объема шпура) длина пробоотборных трубок выбирается таким образом, чтобы выходной конец первой пробоотборной трубки 4 и входной конец второй пробоотборной трубки 5 находились в противоположных сторонах шпура.
Устройство (фиг.3) работает следующим образом. В образце 1 высверливается сквозное отверстие 3 (отверстие, как и шпур в предыдущем случае, можно создать и другими способами), которое тщательно отчищают от мелкодисперсной пыли, проверяют на герметичность и вставляют в него с одной стороны пробоотборную трубку 4 с высокоэффективным воздушным фильтром 6, а с другой стороны - вторую пробоотборную трубку 5, наружный конец которой соединяют со счетчиком аэрозольных частиц 3. Обе пробоотборные трубки при этом пропускают через герметичные заглушки 7. Таким образом, внутренний объем отверстия оказывается герметизированным.
Образец 1 подвергают ступенчатому одноосному сжатию (например, устанавливают между плитами пресса). При работе счетчика частиц 3 встроенный в него насос отбирает из внутреннего объема герметизированного отверстия пробу воздуха. Наружный воздух проходит через высокоэффективный воздушный фильтр 6 и поступает внутрь герметизированного отверстия уже очищенным от атмосферных аэрозольных частиц. Таким образом, счетчик регистрирует только частицы, генерируемые с поверхностей исследуемого образца. Оптимальный пробоотбор обеспечивается за счет того, что выходной конец первой пробоотборной трубки 4 и входной конец второй пробоотборной трубки 5 находятся в противоположных концах сквозного отверстия в образце.
Источники информации
1. Патенты РФ RU 2229597 C1, опубл. 27.06.2003, бюл. №18; RU 2338065 C1, опубл. 10.11.2008, бюл. №31; RU 2244126 C1, опубл. 10.01.2005, бюл. №1.
2. Патент РФ RU 2206088 от 10.06.2003, бюл. №16.
3. Патент РФ RU 2135770 C1 от 09.07.1997, опубл. 27.08.99, бюл. №24 (прототип).