СТЕНД ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ТВЕРДОГО ТЕЛА, НАПРИМЕР БЛОКА ГОРНОЙ ПОРОДЫ В ПОРОДНОМ МАССИВЕ
TEST BENCH FOR ANALYSIS OF ELECTROMAGNETIC RADIATION (EMR) OF SOLID BODY, FOR EXAMPLE, ROCK BLOCK AT IN-SITU ROCK

Техническое решение относится к горному делу и может использоваться для исследования электромагнитного излучения (ЭМИ) горных пород при их разрушении.
Известен 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. 27.05.2005 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 относительно сложен по конструкции. Кроме того, он не обеспечивает возможность создания внутри твердого тела сплошных одиночных трещин с заданными размерами, ориентациями и скоростями 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.
Наиболее близким по технической сущности и совокупности существенных признаков является стенд для исследования ЭМИ твердого тела, например образца горной породы, по патенту РФ №2468350, кл. G01N 3/08, опубл. 27.11.2012 г. Он включает электромагнитный экран, конденсаторный преобразователь ЭМИ, нагрузочное устройство, содержащее металлический корпус, систему регистрации. 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. Втулка с внутренней резьбой и металлическая трубка заполнены пластичным веществом.
Такой стенд позволяет проводить исследования ЭМИ от растущей одиночной трещины, формируемой в относительно небольшом твердом теле, например, в извлеченном из породного массива и разгруженном от горного давления блоке горной породы. Однако он не обеспечивает возможность проводить исследования ЭМИ при разрушении блоков, находящихся в условиях их естественного залегания. Поэтому в получаемых результатах исследований не учитываются влияния на процесс разрушения структурных особенностей породного массива и его напряженно-деформированное состояние. Кроме этого, стенд не позволяет осуществлять исследование ЭМИ от системы последовательно формируемых трещин. В результате стенд обладает сравнительно узкой областью применения, что обуславливает его относительно низкую эффективность.
Решаемая техническая задача заключается в повышении эффективности стенда за счет расширения его возможностей на исследования ЭМИ от разрушения блоков горной породы, находящихся в условиях их естественного залегания.
Задача решается тем, что в стенде для исследования ЭМИ твердого тела, например блока горной породы в породном массиве, включающем электромагнитный экран, систему регистрации, нагрузочное устройство, выполненное в виде трубки с внутренней резьбой и вкрученным в нее винтом с головкой под ключ, заполненной пластичным веществом, согласно предлагаемому техническому решению на трубку навит рукав из проницаемого для жидкости материала, заполненный веществом, которое при взаимодействии с жидкостью отвердевает и расширяется, при этом электромагнитный экран выполнен в виде параболической тарелки, в фокусе которой установлен конвертер, подключенный к системе регистрации, а нагрузочное устройство пропущено через отверстие, выполненное в параболической тарелке со смещением относительно ее центра.
Такое техническое решение обеспечивает управляемый разрыв блока горной породы любой прочности в заданной плоскости и в условиях его естественного залегания, прием и усиление ЭМИ от формируемой трещины, экранирование области разрушения от сторонних источников электромагнитной энергии. Благодаря навитому на трубку рукаву из проницаемого для жидкости материала, заполненного веществом, которое при взаимодействии с жидкостью отвердевает и расширяется, после отвердения указанного вещества исключается возможность вытеснения нагрузочного устройства из зоны разрушения высоким давлением пластичного вещества, разрывающим горную породу. При этом между нагрузочным устройством и поверхностью вмещающего его породного массива образуется сплошная прочная прослойка, герметизирующая зону разрыва блока горной породы. Выполнение при этом электромагнитного экрана в виде параболической тарелки, в фокусе которой установлен конвертер, обеспечивает решение двух задач. Во-первых, из-за фокусировки электромагнитной энергии от формируемой трещины существенно повышается помехоустойчивость приема полезного сигнала за счет увеличения его уровня. Во-вторых, благодаря сравнительно узкой диаграмме направленности параболической тарелки в сочетании с возможностью выбора ее места расположения и ориентации, прием электромагнитной энергии от трещины можно осуществлять с направления, противоположного расположению сторонних источников, значительно снижая их влияние. Пропуск нагрузочного устройства через отверстие, выполненное в параболической тарелке со смещением относительно ее центра, позволяет формировать трещины в зоне приема параболической тарелки. В результате отпадает необходимость образования замкнутого электромагнитного экрана вокруг зоны разрушения горной породы, что обеспечивает возможность исследования ЭМИ от трещин, формируемых в блоках, находящихся в условиях их естественного залегания. Следует отметить, что все преимущества разрушения твердого тела пластичным веществом, указанные в прототипе, здесь используются в полной мере.
Целесообразно на внутренней поверхности трубки выполнить кольцевые канавки треугольного сечения в плоскостях, перпендикулярных оси трубки. Такие канавки обеспечивают концентрацию напряжений по окружностям, лежащим в указанных плоскостях. Это позволяет при одноразовом внедрении нагрузочного устройства в породный массив формировать множество непересекающихся трещин на различном расстоянии от его поверхности и при начальных давлениях разрыва горной породы, существенно меньших, чем при отсутствии канавок. Отметим, что характер напряжений в породном массиве с удалением от его поверхности (от выработки) значительно изменяется. В результате повышается эффективность стенда за счет возможности при одноразовом его использовании проводить исследования ЭМИ от разрушения горной породы в различных условиях ее напряженно-деформированного состояния.
Целесообразно часть нагрузочного устройства, размещенную со стороны вогнутой поверхности параболической тарелки, выполнить из диэлектрических материалов. Это исключает влияние на ЭМИ объектов с высокой электрической проводимостью, находящихся в исследуемой зоне, что увеличивает информативность измерительной системы за счет снижения искажений принимаемых сигналов от возникающих и развивающихся трещин. В результате, благодаря повышению достоверности получаемой информации о процессе разрушения горной породы в виде ЭМИ, возрастает эффективность стенда.
Целесообразно на конец трубки со стороны винта надеть металлический стакан с центральным отверстием под винт. Благодаря этому практически исключается возможность раздвижения внутренней поверхности трубки на участке ее вхождения в стакан, что усиливает резьбовое соединения ее с винтом, снижает требование к прочностным характеристикам материала трубки и, следовательно, увеличивает эффективность стенда за счет повышения надежности работы нагрузочного устройства.
Целесообразно конвертер разместить в диэлектрической втулке с наружной резьбой, вставленной в центральное отверстие параболической тарелки, и скрепленной с ней гайками, расположенными по обе ее стороны. Это позволяет внедрять конвертер через шпур в породный массив и тем самым существенно сближать параболическую тарелку с конвертером с объектом исследования, что повышает эффективность стенда за счет увеличения помехозащищенности зоны, в которой формируют трещины, излучающие принимаемые сигналы.
Целесообразно трубку нагрузочного устройства снабдить заглушками в виде стержней. Заглушки позволяют осуществлять последовательное формирование трещин из глубины массива в направлении его поверхности, так как они исключают попадание пластичного вещества в уже сформированные до нужных размеров трещины, что расширяет возможности стенда и, следовательно, повышает его эффективность.
Целесообразно стенд снабдить датчиком упругих колебаний, подключенным к системе регистрации. Этим достигается возможность получения корреляционных зависимостей между электромагнитными и упругими волнами, излучаемыми одним источником (формируемой трещиной). Важным является то, что в одной и той же среде скорость распространения электромагнитных волн на несколько порядков больше скорости упругих волн, и при этом формируемая трещина излучает два типа указанных волн одновременно. Благодаря этому по разности времени прихода указанных волн, учитывая траектории их движения, определяемые геометрическим путем, можно оценивать скорости упругих волн, функционально связывающие упругие свойства горной породы с ее напряженным состоянием. Таким образом, сочетание одновременного приема электромагнитных и упругих волн от одного источника существенно расширяет возможности стенда и, как следствие, повышает его эффективность.
Сущность технического решения поясняется конкретным исполнением стенда и чертежом, на котором показана схема стенда, продольный разрез.
Стенд для исследования ЭМИ твердого тела, например блока горной породы в породном массиве, включает электромагнитный экран, систему регистрации, нагрузочное устройство, выполненное в виде трубки 1 с внутренней резьбой 2 и вкрученным в нее винтом 3 с головкой 4 под ключ, заполненной пластичным веществом 5. На трубке 1 навит рукав 6 из проницаемого для жидкости материала, заполненный веществом (поз. не обозначено), которое при взаимодействии с жидкостью отвердевает и расширяется. Электромагнитный экран выполнен в виде параболической тарелки 7 (далее - тарелка 7), в фокусе которой установлен конвертер 8, подключенный к системе 9 регистрации (далее - система 9) через кабель 10. Нагрузочное устройство пропущено через отверстие (поз. не обозначено), выполненное в тарелке 7 со смещением относительно ее центра. На внутренней поверхности трубки 1 выполнены кольцевые канавки 11 треугольного сечения (далее - канавки 11) в плоскостях, перпендикулярных оси трубки 1. Часть нагрузочного устройства, размещенная со стороны вогнутой поверхности тарелки 7, выполнена из диэлектрических материалов. На конец трубки 1 со стороны винта 3 надет металлический стакан 12 с центральным отверстием 13 под винт 3. Конвертер 8 размещен в диэлектрической втулке 14 (далее - втулка 14) с наружной резьбой (не показана), вставленной в центральное отверстие (поз. не обозначено) тарелки 7, и скрепленной с нее гайками 15, расположенными по обе ее стороны. Трубка нагрузочного устройства снабжена заглушками 16 в виде стержней. Стенд снабжен датчиком 17 упругих колебаний (далее - датчик 17), подключенным к системе 9 через кабель 18. Нагрузочное устройство подано в шпур 19, пройденный в породном массиве 20 из выработки 21. Трубка 14 с конвертером 8 размещена в шпуре 22 (также пройденном в породном массиве 20 из выработки 21). Через шпур 19 в горной породе сформированы трещины 23.
3
Работа стенда осуществляется следующим образом. На свободной поверхности выработки 21, пройденной в породном массиве 20, устанавливают датчик 17, подключенный через кабель 18 к системе 9. В шпур 22 подают втулку 14 с конвертером 8, подключенным к системе 9 через кабель 10, до контакта тарелки 7 с поверхностью выработки 21. Насыщают жидкостью рукав 6, после чего нагрузочное устройство через смещенное относительно центра тарелки 7 отверстие подают в шпур 19 до упора в его забой, пройденный в породном массиве 20 до дальней границы исследуемой области. Выжидают время, когда заполнившее рукав 6 вещество, взаимодействуя с насыщаемой рукав жидкостью, отвердеет и расширится, скрепив нагрузочное устройство с породным массивом 20 и герметизировав шпур 19. Далее работа стенда обуславливается поставленной целью и сформулированными задачами исследований. При последовательном формировании трещин 23 из глубины массива 20 в направлении его поверхности (выработки 21) трубку 1 заполняют пластичным веществом 5 только на участке от забоя шпура 19 до первой (относительно забоя шпура 19) кольцевой канавки 11. Вкручиванием винта 3 в трубку 1 повышают давление в пластичном веществе 5 до давления разрыва горной породы с образованием трещины 23 в плоскости забоя шпура 19. Конечные размеры трещины 23 при прочих равных условиях определяются объемом поданного в нее пластичного вещества 5. При этом важнейшая информация о механических свойствах и напряженном состоянии горной породы содержится в процессе возникновения и начального этапа роста трещины 23. Дальнейшее развитие трещины 23 прогнозируется известными положениями теории хрупкого разрушения. Поэтому в большинстве случаев подачу пластичного вещества 5 в формируемые трещины 23 предполагается осуществлять в объемах, исчисляемых единицами кубических сантиметров (до 10÷20 см). Вместе с этим, при необходимости создания трещины 23 больших размеров, заполнение трубки 1 на указанном участке пластичным веществом 5 с последующим вытеснением его в формируемую трещину 23 осуществляют многократно. С увеличением размеров трещины 23 давление пластичного вещества 5, достаточное для поддержания ее роста, уменьшается. Поэтому вблизи сформированной трещины 23 поднять давление пластичного вещества 5 до давления разрыва горной породы в другом месте не представляется возможным. Этим обуславливается необходимость перекрытия каналов поступления пластичного вещества 5 в сформированные трещины 23 для создания условий проведения последующих разрывов горной породы. В стенде для перекрытия указанных каналов устанавливают заглушки 16. Длина заглушек 16 определяется расстояниями между планируемыми разрывами. После формирования первой к забою шпура 19 трещины 23 устанавливают заглушку 16 и ее ближайший к винту 3 торец используют как забой шпура 19. Далее осуществляют формирование последующих трещин 23. Для формирования трещин 23 в направлении от выработки 21 к забою шпура 19 заглушки не используют. В таких случаях трубку 1 заполняют пластичным веществом 5 на всем протяжении исследуемой зоны. При вкручивании в трубку 1 винта 3 максимальное давление оказывается в месте его контакта с пластичным веществом 5. Далее, из-за специфических особенностей пластичного вещества 5, давление в трубке 1 к забою шпура 19 убывает. Поэтому вначале возникает и развивается трещина 23 из первой ближайшей к выработке 21 канавки 11. Затем винт 3, пройдя место расположения первой канавки 11, перекрывает доступ к ней пластичного вещества 5, от чего возникает и развивается следующая трещина 23. Таким образом, вкручиванием винта 3 в трубку 1 создают систему последовательно формируемых трещин 23 в направлении от выработки 21 к забою шпура 19. Наиболее простой вариант разрушения горной породы заключается в формировании одиночной трещины 23. В этом случае выполнение канавок 11 не требуется. Трубку 1 упирают в забой шпура 19 и используют эффект концентрации напряжений по линии сопряжения забоя шпура 19 с его боковой поверхностью для ориентации плоскости формируемой трещины 23. Трещины 23 во время их формирования используют в качестве источников ЭМИ и упругих волн. Сигналы от них улавливают тарелкой 7 с конвертером 8 и датчиком 17 и записывают в системе 9 для дальнейшей обработки. Затем стенд демонтируют и перемещают на другой исследуемый участок. При этом трубку 1 с рукавом 6 и заглушками 16 считают расходным материалом и оставляют в породном массиве 20.
Стенд позволяет проводить комплексные исследования свойств и состояния блоков горных пород, составляющих породный массив 20, в окрестностях горных выработок 21 по их реакции в виде ЭМИ и упругих волн на формирование в них трещин 23. Получаемые с его помощью сведения расширяют и углубляют знания закономерностей возникновения ЭМИ при различном характере разрушения горных пород, обеспечивают установление корреляционных зависимостей разных типов волн (электромагнитных и упругих) от одних и тех же источников, нахождение прогнозных критериев проявлений механических процессов, в частности, устойчивости горных выработок 21 и т.д. При этом максимальная эффективность стенда достигается использованием всей совокупности заключенных в нем принципов работы, включая принципы разрушения горных пород пластичными веществами 5, а также принципы приема ЭМИ и упругих колебаний твердых тел при возникновении и росте в них трещин 23.
Отметим, что при необходимости исследования ЭМИ от трещин 23, расположенных на значительном (3 и более метров) расстоянии от выработки 21, в стенде предусмотрена возможность удлинения винта 3 подсоединением к нему со стороны, противоположной головке 4, колонны штанг. Трубка 1 также может быть составной.