способ оценки напряженно-деформированного состояния массива горных пород и строительных сооружений и устройство для его осуществления

Формула изобретения

1. Способ оценки напряженно-деформированного состояния массива горных пород и строительных сооружений, заключающийся в том, что нагруженный исследуемый объект подвергают действию упругих колебаний и определяют состояние объекта, отличающийся тем, что в исследуемом объекте предварительно создают измерительный объем, регистрируют параметры, характеризирующие его состояние, и по их изменению судят об изменении напряженно-деформированного состояния, при этом в качестве параметров, характеризующих состояние исследуемого объекта, используют эмиссию микро- и наноразмерных минеральных частиц, по величине которой оценивают напряженно-деформированное состояние исследуемого объекта.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в процессе отбора проб воздуха из внутреннего объема сквозного отверстия в исследуемом образце повышают величину квазистатического одноосного сжатия.

3. Устройство для оценки напряженно-деформированного состояния массива горных пород и строительных сооружений, содержащее устройство, генерирующее упругие колебания, измерительный прибор и зонд, размещаемый внутри измерительного объема, созданного в горном массиве или строительном сооружении, отличающееся тем, что в качестве измерительного прибора используется счетчик аэрозольных частиц, а зонд выполнен в виде двух пробоотборных трубок, причем на входном конце первой пробоотборной трубки установлен воздушный фильтр, а выходной конец второй пробоотборной трубки присоединен к входу счетчика аэрозольных частиц.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к горному делу, в частности к методам неразрушающего контроля, и может быть использовано для оценки напряженно-деформированного состояния массива горных пород и строительных сооружений, контроля динамических проявлений в виде разрушений отдельных участков, вывалов, заколов, стреляний, а также для лабораторных испытаний образцов горных пород и строительных материалов. Способ оценки напряженно-деформированного состояния массива горных пород и строительных сооружений основан на закономерности изменения эмиссии микро- и наноразмерных минеральных частиц в зависимости от напряжений, приложенных к объекту исследования.

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 об изменении напряженного состояния, а также устройства для их осуществления [1, 2]. Недостатком указанных способов является низкая точность прогноза разрушения массива горных пород, связанная с неопределенностью критериев ЭМИ, характеризующих собственно процесс разрушения.

Известен способ прогноза землетрясений, который позволяет определять динамику распределения напряженно-деформированного состояния массива горных пород, заключающийся в том, что производят бурение специальных наблюдательных скважин, глубина которых меньше уровня грунтовых вод и в каждой из этих скважин непрерывно регистрируют динамику выделения радона из массива горных пород и суммарное количество сейсмической энергии, поступившей в каждую наблюдательную скважину, и по серии наблюдений во времени выделяют зоны с последовательным уменьшением или увеличением выделения радона с учетом поступившей сейсмической энергии; указанные зоны наносят на карту исследуемого района и по площади зоны динамического радона судят о положении эпицентра и магнитуде ожидаемого землетрясения, а по динамике уменьшения и/или увеличения выделения радона в наблюдательных скважинах судят о времени ожидаемого сейсмического события [3]. К существенным недостаткам указанного способа следует отнести то, что выделение радона в пределах даже одного массива может быть различным, а также не учитываются влияние на данные измерений атмосферных осадков, изменение атмосферного давления и т.д.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является способ неразрушающего контроля качества железобетонных конструкций балочного типа. Способ заключается в установке конструкции на стенде, закреплении ее концов согласно условиям эксплуатации, установке на противоположных поверхностях конструкции (в середине ее пролета) для возбуждения и регистрации изгибных механических колебаний излучателя и приемника механических колебаний. После этого производятся нагружение конструкции статической равномерно распределенной нагрузкой и возбуждение с помощью генератора синусоидальных колебаний. Определяют резонансную частоту колебаний и при уровне энергии возбуждения продольных или поперечных колебаний конструкции производят спектральный анализ колебательного процесса. По величине отклонения коэффициента нелинейных искажений определяют степень дефектности [4]. Недостаток этого способа заключается в том, что он реализуется только на стадиях изготовления железобетонных конструкций балочного типа и не может быть использован при эксплуатации исследуемого объекта.

Целью изобретения является повышение точности и достоверности оценки напряженно-деформированного состояния массива горных пород и строительных сооружений.

Предлагаемый способ оценки напряженно-деформированного состояния массива горных пород и строительных сооружений и действие устройства для его осуществления основаны на том факте, что с увеличением статической нагрузки (квазистатической) совместно с действием динамической нагрузки наблюдается рост эмиссии микро- и наноразмерных минеральных частиц с поверхности исследуемого объекта. Это явление можно объяснить тем, что в результате увеличения нагрузки происходит рост дефектов, и чем ближе напряжения сжатия к предельным, тем больше эмиссия частиц, выделившихся с поверхности исследуемого объекта.

Способ оценки напряженно-деформированного состояния массива горных пород и строительных сооружений, содержащий измерительный прибор и зонд, размещаемый внутри измерительного объема, созданного в горной породе или строительном сооружении, реализуется таким образом, что в качестве измерительного прибора используется счетчик аэрозольных частиц, а зонд представляет собой две пробоотборные трубки, снабженные одной или более герметичными заглушками, причем на входном конце первой пробоотборной трубки установлен воздушный фильтр, а выходной конец второй пробоотборной трубки присоединен к входу счетчика аэрозольных частиц.

Таким образом, для оценки напряженно-деформированного состояния массива горных пород и строительных сооружений в исследуемом объекте предварительно создают измерительный объем, регистрируют параметры, характеризующие состояние исследуемого объекта и по их изменению судят об изменении напряженно-деформированного состояния исследуемого объекта, измерительный объем выполняют в виде шпура или сквозного отверстия, внутренний объем шпура или сквозного отверстия герметизируют таким образом, чтобы внутренний объем шпура или сквозного отверстия соединялся с атмосферой только через воздушный фильтр, после чего отбирают пробы воздуха из внутреннего объема шпура или сквозного отверстия и регистрируют эмиссию микро- и наноразмерных минеральных 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 сквозного отверстия исследуемой горной породы или строительного материала, а об изменении напряженно-деформированного состояния судят по повышению счетной концентрации генерируемых частиц и по сдвигу в сторону бóльших значений медианы функции распределения частиц по размерам.

В процессе отбора проб из внутреннего объема шпура или сквозного отверстия исследуемая горная порода или строительный материал подвергается квазистатическому одноосному сжатию совместно с действием устройства, генерирующего упругие колебания в исследуемом объекте, т.е. подвергают динамическому воздействию.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 показана принципиальная схема устройства для оценки напряженно-деформированного состояния образцов горных пород и строительных материалов, а на фиг.2 приведена схема устройства для оценки напряженно-деформированного состояния массива горных пород и строительных сооружений, где 1 - объект исследования (образец горной породы (строительный материал) или массив горных пород (строительное сооружение)), 2 - сквозное отверстие или шпур, 3 - плиты лабораторного пресса, 4 - счетчик аэрозольных частиц, 5 - первая пробоотборная трубка, 6 - вторая пробоотборная трубка, 7 - воздушный фильтр, 8 - устройство, генерирующее упругие колебания, 9 - герметичная заглушка.

Устройство для лабораторных испытаний объекта работает следующим образом. В объекте исследования 1 высверливают сквозное отверстие 2 и очищают его от мелкодисперсной пыли, крепят к нему пробоотборную трубку 5, наружный конец которой соединяют с воздушным фильтром 7 и пробоотборную трубку 6, наружный конец которой прикреплен к счетчику аэрозольных частиц 4. Таким образом, внутренний объем отверстия оказывается герметизированным. Объект исследования 1 подвергают квазистатическому одноосному сжатию и с помощью устройства 8 генерируют в нем упругие колебания, т.е. подвергают динамическому воздействию. При работе счетчика аэрозольных частиц 4 из внутреннего объема сквозного отверстия 2 осуществляется отбор проб воздуха. Наружный воздух проходит через воздушный фильтр 7 и поступает во внутрь сквозного отверстия 2, исключая регистрацию частиц из окружающей среды. Таким образом, счетчик аэрозольных частиц 4 регистрирует только частицы, генерируемые с поверхности сквозного отверстия 2 исследуемого образца горной породы 1 (строительного материала). Оптимальный отбор воздуха обеспечивается за счет того, что выходной конец первой пробоотборной трубки 5 и входной конец второй пробоотборной трубки 6 находятся в противоположных концах сквозного отверстия 2 в исследуемом объекте 1.

Устройство для оценки напряженно-деформированного состояния массива горных пород и строительных сооружений работает следующим образом. В объекте исследования 1 (горном массиве или строительном сооружении) бурят два шпура 2, которые тщательно отчищают от образованной мелкодисперсной пыли. В один из шпуров устанавливают пробоотборные трубки 5 и 6, пропустив их через герметичную заглушку 9. На находящемся вне объема шпура входном конце первой пробоотборной трубки 5 устанавливают воздушный фильтр 7. Выходной конец второй пробоотборной трубки 6 присоединяют к входу счетчика аэрозольных частиц 4. Таким образом исследуемый объем шпура 2 оказывается герметизирован. В другой шпур помещают устройство 8, которое генерирует упругие колебания в исследуемом объекте. При работе счетчика частиц 4 встроенный в него насос отбирает из исследуемого объема шпура 2 пробы воздуха. Поступающий вследствие этого в объем воздух из окружающей среды (например, из горной выработки) проходит через воздушный фильтр 7 и оказывается очищенным от частиц, что позволяет утверждать, что зарегистрированные счетчиком частицы генерируются при локальном образовании трещин и иных дефектов поверхности исследуемого объекта.

Таким образом, по росту эмиссии микро- и наноразмерных минеральных частиц можно судить об изменении напряженно-деформированного состояния исследуемых объектов.