CC BY
20
УДК 622.02:539.2
ПЕРСПЕКТИВНЫЕ МЕТОДЫ ОЦЕНКИ СОСТОЯНИЯ УГЛЕПОРОДНОГО МАССИВА В ОКРЕСТНОСТЯХ ГОРНЫХ ВЫРАБОТОК
Лариса Алексеевна Назарова
Институт проблем комплексного освоения недр РАН, 111020, Россия, г. Москва, Крюковский тупик, 4, доктор физико-математических наук, ведущий научный сотрудник, тел. (383)330-56-70, e-mail: [email protected]
Владимир Лазаревич Шкуратник
Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС», 119991, Россия, г. Москва, Ленинский проспект, 4, доктор технических наук, профессор кафедры физических процессов горного производства и геоконтроля, тел. (495)750-91-20, e-mail: [email protected]
Петр Владимирович Николенко
Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС», 119991, Россия, г. Москва, Ленинский проспект, 4, кандидат технических наук, доцент кафедры физических процессов горного производства и геоконтроля, тел. (499)230-25-93, e-mail: [email protected]
Представлены способы контроля напряженно-деформированного состояния массива в окрестностях горных выработок на основе акустико-эмиссионные эффектов, сопровождающих деформирование размещаемых в скважинах датчиков из композиционных материалов. Дано описание аппаратурного обеспечения и результаты испытаний способов. Показано, что они позволяют получать в мониторинговом режиме информацию о превышении напряжениями заданных значений, а также величины смещения максимума зоны опорного давления.
Ключевые слова: напряженно-деформированное состояние, акустическая эмиссия, композиционные материалы, углепородный массив, геомониторинг.
PROMISING METHODS TO ESTIMATE COAL-ROCK MASS CONDITION IN THE VICINITY OF EXCAVATIONS
Larisa A. Nazarova
Institute of Integrated Mineral Development, Russian Academy of Sciences, 111020, Russia, Moscow, 4 Kryukovsky tupik, Doctor of Physico-Mathematical Sciences, Principal Researcher, tel. (383)330-56-70, e-mail: [email protected]
Vladimir L. Shkuratnik
National University of Science and Technology—MIS&S, 119991, Russia, Moscow, 4 Leninsky prospect, Doctor of Engineering Sciences, Professor of the Department of Physical Processes in Mining and Geocontrol, tel. (495)750-91-20, e-mail: [email protected]
Petr V. Nikolenko
National University of Science and Technology—MIS&S, 119991, Russia, Moscow, 4 Leninsky prospect, Candidate of Engineering Sciences, Assistant Professor of the Department of Physical Processes in Mining and Geocontrol, tel. (495)230-25-93, e-mail: [email protected]
The authors describe methods to control stress-strain state of rock mass around underground excavations based on effect of acoustic emission accompanying deformation of sensors made of composites and installed in drillholes. The equipment and data of tests of the methods are characte-
rized. It is shown that the methods allow keeping track of information on excess of stresses over preset values and on peak stress displacement in the abutment pressure zone.
Key words: stress-strain state, acoustic emission, composites, coal-rock mass, geomonitor-
ing.
Важнейшими прогнозными признаками ухудшения устойчивости конструктивных элементов систем разработки является изменения во времени и пространстве их напряженно-деформированного состояния (НДС). Эти изменения наиболее сильно проявляются в окрестностях горных выработок. Обычно они фиксируются по смещению максимума зоны опорного давления вглубь массива и изменению напряжений в этой зоне, например, с помощью активных или пассивных скважинных ультразвуковых измерений [1-3]. Технологические особенности таких измерений не позволяют реализовывать их в режиме мониторинга с автоматической регистрацией искомой информации о динамике НДС. Кроме того сама эта информация является косвенной и чисто качественной. Во многом избежать отмеченных недостатков позволяют методы контроля состояния приконтурного массива, основанные на акустико-эмиссионных эффектах в скважинных датчиках из композиционных материалов. Ниже рассматривается один из вариантов реализации таких методов, в котором в качестве указанного материала используется текстолит. Последний, как показано в [4], обладает высокой акустико-эмиссионной тензочувствительностью и способен «запоминать» испытанные ранее максимальные напряжения, а при их превышении генерировать акустическую эмиссию (АЭ) с аномально высокой активностью.
Схема, иллюстрирующая реализацию рассматриваемого метода контроля представлена на рис. 1.
Рис. 1. Схема скважинных акустико-эмиссионных измерений:
1 - измерительная скважина; 2 - трубчатый звукопровод; 3,4,5 - текстолитовые кольца; 6,7 - акустические преобразователи; 8 - акустико-эмиссионный измерительный комплекс;/!,/2,/3-расстояния от контура выработки до текстолитовых колец; /г - длина звукопровода
В измерительную скважину помещают трубчатый металлический звуко-провод с закрепленными на нем текстолитовыми кольцами. Их общее число может составлять несколько десятков и зависит от максимальной глубины, на которую необходимо осуществлять контроль смещения зоны опорного давления, а также требованиями к разрешающей способности контроля.
Текстолитовые кольца, внешний диаметр которых совпадает с диаметром измерительной скважины, а внутренний с диаметром звукопровода, акустически связаны с последним.
Под действием напряжений в окрестностях выработки скважина деформируется, что приводит к соответствующим деформациям текстолитовых колец. Возникающие при этом в кольцах сигналы АЭ по звукопроводу передаются к приемным акустическим преобразователям и далее на многоканальный аку-стико-эмиссионный измерительный комплекс, например, A-Line 32D.
На рис. 2 представлены полученные экспериментально амплитудные значения активности АЭ в трех последовательных кольцах при смещении максимума зоны опорного давления вглубь массива. Так в момент времени ti, когда указанный максимум находится на глубине l1, соответствующее этой глубине кольцо будет испытывать максимальные деформации, а вид распределения Ai = f(li) будет отражать рис. 2а.
а
б
0 li I2 1з
l 0 li I2 1з
l 0 li l2 l3
в
l
Рис. 2. Амплитудные значения активности АЭ в текстолитовых кольцах, расположенных на расстоянии /¿от контура выработки, в момент времени ^ (а), /2 > Ь(б) и /3 > /2 (в)
Увеличение нарушенности пород приконтурного массива под влиянием природных и техногенных факторов приведет к смещению максимума зоны опорного давления. В некоторый момент времени 12 > t\ этот максимум достигнет глубины /2, на которой находится кольцо 4, а затем в момент времени ^ > ^ -глубины /3, на которой находится кольцо 5, и т. д. При этомраспределения А{ = /(/) будут иметь вид, представленный на рис. 2б и 2в соответственно. Таким образом, результаты акустико-эмиссионных измерений будут нести информацию о пространственно-временной динамике напряжённо-деформированного состояния массива в окрестностях выработки.
Акустико-измерительный комплекс, снабжённый устройством селекции принимаемых сигналов по амплитуде, в каждый момент времени позволяет вы-
делить сигналы с максимальной амплитудой Аги измерить разность времени ^■их прихода на приемные акустические преобразователи. При этом расстояние и от контура выработки до г-ого кольца, над которым находится максимум зоны опорного давления определяется по формуле
_ 1Т - Л? • V г = 2 '
где ¡т - длина звукопровода,а у-скорость распространения упругих волн в нем.
Развитие описанного выше метода контроля возможно за счет использования акустико-эмиссионного эффекта памяти в текстолитовых кольцах. Суть этого эффекта заключается в невоспроизводимости активности АЭ вплоть до максимального напряжения предшествующего цикла нагружения, когда указанная активность скачкообразно возрастает. Эффект, впервые установленный Й. Кайзером ещё в 1953 г. [5], проявляется практически во всех твёрдых природных и синтезированных материалах, в частности и в текстолите.
Текстолитовые кольцапредварительно и последовательно нагружают вдоль одного и того же диаметрального направления до заданных уровней установочных напряжений Рр > Рр > Рр соответственно. Звукопровод с закреплёнными на нём кольцами размещают в скважине таким образом, чтобы направление их механического нагружения совпадало с направлением максимального действующего в массиве напряжения.
Под действием естественного поля напряжений контур измерительной скважины деформируется, приводя к деформированию текстолитовых колец. Причём активность сигналов АЭ, возникающих в каждом из колец, будет прямо пропорциональна величине деформаций. Для приема сигналов АЭ и последующей идентификации сработавшего кольца достаточно одного приемного преобразователя 6. Сигналы с выхода преобразователя поступают на вход акустико-эмиссионного комплекса, обеспечивающего получение зависимости суммарного счета N импульсов АЭ в функции от времени I. Эта зависимость представлена на рис. 3. Она характеризуется скачками величины N в моменты времени ?г, в которые давление на соответствующие кольца превышают значения Рр.
Рис. 3. Зависимость суммарного счета N импульсов акустической эмиссии
на выходе приемного акустического преобразователя от времени V.
- значения времени, в которые происходит последовательное «срабатывание» текстолитовых колец 1, 2 и 3
Поскольку значения давлений Pt в моменты времени ^соответствуют заранее заданным установочным давлениям P*, то очевидно, что описанный метод позволяет получить количественную оценку изменяющихся в приконтурном массиве напряжений.
В заключение отметим, что описанная выше конструкция датчика принципиально может быть использована и для определения направления максимального напряжения в массиве. Для этого можно использовать зависимость аку-стико-эмиссионной тензочувствительности текстолитовых колец от ориентации их слоистой структуры относительно направления действия максимальных напряжений. Так в[6] на основе экспериментальных исследований слоистых тек-столитов показано, что указанная чувствительность максимальна при направлении одноосного нагружения, совпадающем с направлением слоев. Если же указанные направления ортогональны, то акустико-эмиссионная тензочувстви-тельность стремится к нулю.
Работа выполнена при финансовой поддержке Российского научного фонда, проект № 16-17-00029.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Ямщиков В.С., Тютюнник П.М., Блок А.В. Экспериментальное изучение пространственной неоднородности массива вблизи горной выработки методом ультразвукового прозвучивания // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых.- 1974. -№5. - С.28-36.
2. Шкуратник В.Л., Данилов В.Н. Об использовании локационного режима при ультразвуковом контроле напряженно-деформированного состояния массива горных пород // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. - 1990. - №3. - С.37-40.
3. Комплексные инженерно-геологические исследования при строительстве гидротехнических сооружений / Под ред. А.И. Савича, Д.Б. Куюнджича. - М.: Недра, 1990. -463с.
4. Шкуратник В.Л., Николенко П.В. Об использовании акустико-эмиссионного эффекта памяти в композиционном материале для контроля критических напряжений в массиве горных пород // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. -
2013. - №4. - С.32-39.
5. Kaiser J. Erkenntnisse und Folgerungen aus der Messung von deGeraushen bei Zugbeanspruchung von metallischen Werkstoffen // Archiv fur das Eisenhuttenwesen.-1953.-Vol. 7.-№1/2. -Р. 43-45.
6. Николенко П.В., Шкуратник В.Л. Особенности акустико-эмиссионных эффектов в анизотропных композиционных материалах и их использование для контроля напряжений в массиве горных пород // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. -
2014. - №4. - С.1-8.
© Л. А. Назарова, В. Л. Шкуратник, П. В. Николенко, 2016
