Способ контроля процесса деформации горных пород
Изобретение относится к сейсмологии и может быть использовано для контроля процесса деформации блоков горных геологических пород и их отдельных участков. Цель изобретения - повьппение экономичности и помехозащищенности измерений объемных зарядов . В контролируемом месте грунта размещают три пары взаимно перпендикулярных пластин-электродов, соединенных так, что они образуют два электрода. Казкдый электрод образован тремя-пластинами, входящими в одну из пар взаимно перпендикулярных пластин . Пластины-электроды, помещенные в грунт, генерируют электрический ток, при этом отмечаются отдельные циклические колебания около среднего уровня значения тока и напряжения . 2 ил., 5 табл. 1 (Л 1хд 00 Од &.
СОЮЗ СОВЕТСКИХ
СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ
РЕСПУБЛИН (5д 4 С 01 7 11/00
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР
ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3854442/24-25 (22) 12.02 ° 85 (46) 23.12.86. Бюл. 11 47 (72) В.Я.Давыдов и П.П.Аввакумов (53) 550.832 (088.8) (56) Перельман М.Е., Хатиашвнли, Генерация ЭИП при колебаниях двойных электрических слоев и его проявление при землетрясениях. ДАН. 1983, т.271, с.20.
Лобковский Л.И., Баранов Б.В. Клавишная модель землетрясений в островных дугах. ДАН. 1984, т. 275, Ф 4, с.843.
Костенко М.В. Техника высоких напряжений. — М.: Высшая школа, 1973, с ° 9 °
Л.Леб. Статическая электризация.
- М. — Л.: Госэнергоиздат, 1963, с.226.
Авторское свидетельство СССР
В 996976, кл. G 01 V )111//0000, 1983.
„„Я0„„1278760 А 1 (54) СПОСОБ КОНТРОЛЯ ПРОЦЕССА ДЕФОРМАЦИИ ГОРНЫХ ПОРОД (57) Изобретение относится к сейсмологии и может быть использовано для контроля процесса деформации блоков горных геологических пород и их отдельных участков. Цель изобретения— повышение экономичности и помехоэащищенности измерений объемных зарядов. В контролируемом месте грунта размещают три пары взаимно перпендикулярных пластин-электродов, соединенных так, что они образуют два электрода. Каждый электрод образован тремя пластинами, входящими в одну иэ пар взаимно перпендикулярных пластин. Пластины-электроды, помещенные в грунт, генерируют электричес кий ток, при этом отмечаются отдельные циклические колебания около среднего уровня значения тока и напряжения. 2 ил., 5 табл.
1 12787
Изобретение относится к сейсмологии и может быть использовано для контроля процесса деформации блоков горных геологических пород и их отдельных участков.
Цель изобретения — повышение экономичности и помехозащищенности измерений объемных зарядов.
На фиг.l показан датчик для измерения объемных зарядов; на фиг.2— !
О принципиальная электрическая схема ля измерения этих зарядов.
Способ основан на следующих предпосылках.
В природе непрерывно осуществляетl5 ся биотический круговорот, заключающийся в том, что зеленые растения в процессе фотосинтеза создают органические вещества, а бактерии и живот20 ные разрушают его.
Процесс фотосинтеза в растениях протекает в хлорофилле под действием солнечного света и сопровождается переносом электронов по электрон—
25 ному каналу в клетках: от хлорофилла на неорганический углерод и из воды, движущейся от корней к листьям, на хлорофилл.
Обратный процесс — превращение
30 органического вещества в неорганическое под действием бактерий и микроорганизмов — сопровождается также потоком электронов — биотоком. Причем жизнедеятельность бактерий и других микроорганизмов (размножение и дыхание) сопровождается переносом электронов от веществ-доноров к веществам-акцепторам. В качестве доноров для повсеместного распространенных аэробных и анаэробных бактерии
40 являются сероводород, сернистый газ, сульфид, теосульфат, двухвалентное железо и органические соединения (глюкоза, крахмал, нефть, лактат, мочевина и т.п.), а в качестве.акцепто45 ров — молекулярный кислород, аммиак, разнообразные ферменты, углекислый газ и т.п.
Процесс переноса эг.зктронов от указанных доноров к акцепторам является биологическим окислением, особенностью которого является одновременный перенос двух электронов и одФ ного протона (Н ) в виде гидрид-иона на акцептор, второй протон переходит в раствор, в качестве которого наиболее часто служит вода.
60 2
Процесс движения электронов при фотосинтезе и обратного движения при разрушении органического вещества но сит в природе замкнутый характер.
Солнечный свет поддерживает постоянный поток электронов в зеленых растениях, текущий от донора-воды к клеткам хлорофилла, в которых электроны соединяются с молекулами неорганических элементов, образуя органические соединения, а положительные ионы воды выходят в атмосферу при испарении воды листьями растений.
Одновременно в почве бактерии разлагают органическое вещество,с образованием гидрид-иона и положительно+
ro иона Н . Гидрид-ион участвует в образовании ионизированной молекулы
СО, а положительный ион ll — моле2 У кулы воды. Из почвы CO попадает в атмосферу, где отдает свой заряд положительным ионам водяного пара. Суммарное количество электрических зарядов, перешедших в атмосферу с CO
2 меньше, чем суммарное количество электрических зарядов, расходуемых
1 растениями на создание биомассы в процессе фотосинтеза. Объясняется это тем, что солнечная энергия, "законсервированная" в органическом веществе, при биологическом окислении расходуется как на сообщение энергии активации гидрид-иону и положительному иону водорода, так и на энергию жизнедеятельности самих бактерий.
То есть, количества энергии, расходуемые на синтез и разложение органического вещества„ неравны, соответственно и количества возбужденных этой энергией электронов при фотосинтезе и разложении неравны, Поэтому в атмосфере находится постоянный дефицит отрицательных ионов по отношению к положительным. Так в одном кубическом сантиметре воздуха
+ у поверхности земли содержится n„
;750, n„650 штук.
Такйм образом, как в поверхностном слое грунта, так и значительных глубинах 50-100 мм в результате деятельности аэробных и анаэробных бактерий в любом замкнутом объеме грунта, а также на границе контакта различных геологических пород содержатся свободные электрические заряды.
На стыке двух геологических пород свободные электрические зарядь1 появТавлица
Матернал контактов
ПродолаительНОСТЬ, Ч
U,mB I@A
1,1оА U,m I.,pA
195
412 130
402 120
395 110
389 103
380 93
360 85
300 75
250 67
150 60
140 40
IЗ2 25
125 15
52О
6$ 25
40 25
25 14
15 10 в
50 25
30 15
20 1г
l 5 10
13 9
0,l
480
160
Z8 а,l
lZ0
445
О,l
97
410
О,l зо
88 I I 7 13 зво о,z
82
355
l2 7
1З о,г
60
1оо 1г
290
1г
12 7
l,О
40
250
3,Î
1ОО
22
150
15,0
14
50 вг зз,о гв
:15
45,0
3 1278 ляются не только в результате биохимических реакций, но и в результате различных поверхностных потенциалов и различной связи электронов в кристаллической решетке контактирующих пород.
Деформация грунта и геологических пород с различной плотностью вызывает изменение плотности свободных электрических зарядов на единицу объ- 1О ема, соответственно возникают перемещение этих зарядов и сопутствующее электромагнитное излучение.
Процесс выделения электронов в грунт под действием аэробных и ана- 15 эробных бактерий значительно усиливается в местах нахождения железа и его соединений. Как известно, в грунте наряду с хемоорганотрофными бактериями повсеместно распространены 2О и совместно существуют сульфаторедуцирующие бактерии (Desulfovibrio), которые переводят железо в сернокислое в виде реакции
4Fe + 80 + 2H О - Fes + 3Fe(OH)
1 2 Образование сернокислого железа сопровождается усиленным потоком электронов от сероводорода к железу.
Проводят серии экспериментов по определению интенсивности генерации 30 электрического тока различными образцами грунта и геологических пород, взятых с различных глубин, и изменению величины генерируемого электрического тока при их деформации. Экспери- 35
Cu — Cu Ст.3 - Ст.3 Ст.3 — Ст.
Н, З ) X, А U, В (1,/ А II, В
4 менты показывают, что имеет место зависимость биотока в образцах грунта от материала контактов.
Испытаниям подвергают образцы грунта с глубин O,l и 50 м, а также образцы речного печка. Контактом-катодом при испытаниях служат пластины из стали Ст.5, контактом-анодом— пластины из Ст.3.
Площадь контактных поверхностей каждой из шести пластин варьируется в пределах 40,0-160,0 см . ОптимальЯ ное расстояние между пластинами устанавливается методом проб и равняется 3,0 см.
Схема расположения пластин в грунте образующих датчик приведена на фиг,1.
При испытаниях применяют контакты из различных материалов: Ст.3 — Ст.3, Ст.5 — Ст.3, Ст .3 — медь, Ст.3 — дюрал1оминий, Ст.3 — IxISHIO Ixl8HIO,—
1х18НIО.
Наивысший потенциал (0,67 В) ивеличина тока (250 А) с образца, взятого с глубины О,1 м, получены на контактах Ст.5 — Ст.З, несколько ниже (U=O,60 В, l = 245,чА) отмечены на контактах Ст.3 — Iх18Н!О.
Результаты испытаний на величину генерации биотока в зависимости от материала контактов (испытуемый образец грунта при всех указанных испытаниях один и тот же) приведены в табл.1.
Ст.з - Ixl8HIO Дюралалюмнннй — Ст.3
1278760
Таблица
U» Т, шВ мин
100 15
150 15
500 15
10
+10
l 35 620 15
+18
+180 245
730 10
Таблиц а 3
580 560 550 570 560 570 580 570
U,ï В 550
I )оА 185
U, тпВ 570
195 185
560 570 560 580 570 580 570 570
185 190 185 )95 )90 )95 190 190
560 560 570 560 570 560 560 550
I, )А 190
U, mB 570
I,А 190
185 185
Зависимость биотока в образцах грунта от температуры показана в табл.2.
+30 190 650 15
+40 220 680 15
+60 245 720 15
+70 245 730 20
+80 245 720 20
+100 240 720 20
+130 240 720 20
+150 240 720 15
+200 240 720 10
Отмечена трансформация биотока при деформации грунта.
Испытаниям подвергаются образцы при +)8 С. Электродами служат пласЬ
Испьгганиям подвергаются те же об- разцы, что и в табл,1. Температура образцов 1:,$p изменяется от — 10 С до +200 С. При отрицательной температуре напряжение и ток на электродах Ст.3 - Ст.5 (начиная с температуры -2 С) резко снижаются. При повышении температуры выше нуля напряжение на образце увеличивается. Однако при повышении температуры свьппе
+60 С и до +200 С оно остается практически неизменным. Т вЂ” время измерений.
Проверяют продолжительность генерации биотока, для чего образец, изъятый из грунта, помещают в изолированное помещение с постоянной . температурой. С течением времени (свыше 5 сут) напряжение и электрический ток, генерируемые образцом, снижаются, Однако плас ины-электроды, помещенные в грунт на глубину
3,0 м, генерируют электрический ток свьппе 3 мес. При этом отмечаются отдельные циклические колебания около среднего уровня значений тока и напряжения.
В табл.3 приведены результаты испытаний продолжительности генерирования электрического тока от пластин (Ст ° 3 — Ст.5), находящихся в грунте на глубине 3,0 м. Размер пластин
16х10 см, толщина 3 мм, расстояние
З5 между ними 10 см.
185 190 185 190 195 190
190 185 190 185 185 185 тины из Ст.3 — Ст.5. Деформация грунта производится ударным сжатием пластин поочередно в каждой из плоскостей х, y, z. (фиг.l).
Т а б л и ц а 4
Направление в пло скости
4$, . А, А bU с С
10 3 l0-Ô F S S кг В 4
1 5
100
0,6
100
0,3
83,0
1,8
2,08
82,0
1,56
83,0
1,2
2,12
82,5
1,7
1,74
83,5
1,8
2,70
84,0
21.
2,5
2,80
83,5
3,0
3,20
79,5
4,4
3,15 23,5 . 10
79,5
4,3
7 127
Величйна трансформируемого напряжения на вторичной обмотке трансформатора при деформации грунта измеряется миллнвольтметром, а также определяется по срабатыванию порогового устройства, которое включает в себя усияитель на транзисторах, исполнительное реле, сигнальную лампочку и звонок. При возникновении деформации образца, осуществляемой его 10 сжатием, пороговое устройство подает сигнал на исполнительное реле, последнее включает сигнальную лампочку и звонок.
Кроме этого, проводятся испытания, 15 при .которых электродом служит гранит — известняк. Пространство между неровностями электродов (камней) заполняется смесью глины и песка.
Эти испытания показывают, что воз- 20 можна длительная генерация электрического тока при плюсовой температуре в грунте,и на контакте различных геологических пород. Причем электриВ табл.5 приведены результаты определения величины трансформируемой на вторичной обмотке трансформатора
8760 8 ческий ток является постоянным током. с напряжением, подверженным незначительной (меньше 0,05 Uц, ) вариации.
При сжатии грунта или уплотнении контакта величины электрического тока и напряжения на вторичной обмоткетрансформатора значительно (в 2-265 раза) изменяются, наблюдается
"всплеск", который после этого спадает до величины l 2 I, U =0 где I „ U — велиЧины электрйческого тока между электродами и напряжения на вторичной обмотке трансформатора до сжатия.
В табл.4 приведены результаты определения величины трансформируемой на вторичной обмотке трансформатора (фиг.2) ЭДС . при различной степени деформации. грунта 48, где А — работа, F — сила, bt — время срабатывания. Образец грунта взят с глубины 0,5 м. Температура образца грунта s процессе проведения испытаний подцерживается постоянной +18 С.
4,93 10
2,47 . )О
14,? 10
9,0 - 10
9,7 10
7,6 . 10
9,1 10
11,5 . 10
13,3: 10
19,2 10 (фиг.3) ЭДС при различной силе удара G по контакту гранит — известняк.
Удар производится с высоты Н. Неров1278760 10 пература контактирующих пород во время испытаний поддерживается постоянной +18 С. Направление силы G удара в одной плоскости Z..Таблица 5 г С, кг A=GH,кгм gU, mB
Н, м
0,3
2,0
0,6
2,10
0,3
2,0
0,6
2,08
0,3
2,0
0,6
2,12
0,6
0,3
2,0
2,10
0,5
2,0
1,0
3,35
0,7
1,0
0,7
2,82
1,0
0,7
0,7
2,80
0,7
1,0
0,7
0 5
2,0
1,0
3,30
0,7
0,7
3,32
1,0
0,7
0,7
3,38
Эксперименты показывают, что возможно и целесообразно контроль деформации ограниченного объема грунта или вообще горных пород осуществлять путем размещения в объеме грунта или на контакте пород в трех взаимно пер40 пендикулярных плоскостях стальных (с различным содержанием углерода, предпочтительней из Ст.3 и Ст.5)электродов. Электрический сигнал, снимаемый с электродов, необходимо преобразовы45 вать через трансформатор. При отсутствии деформации породы или грунта на вторичной обмотке трансформатора отсутствует сигнал. Сдвиговые деформации в грунте или горных породах обычно осуществляются в виде мелких
50 чередующихся толчков. Поэтому на вторичной обмотке трансформатора трансформируются электрические сигналы, пропорциональные величине и скорости деформации.
Проведение при этом измерений сейсмических и ультразвуковых сигналов только .дополняет информацию, получае1
C} ности этих контактирующих пород заполняются глиной. От гранита и известняка отводящие контакты выполняются однородными (из меди). Теммую от трансформируемых электрических сигналов.
Пластины l из Ст.5 и пластины 2 из Ст.3 (фиг.l) размещены попарно в трех взаимно перпендикулярных плоскостях х, ч, z, что обеспечивает контроль деформации грунта в любом направлении действия деформирующих сил.
Все три пластины 1 соединены между собой электропроводным соединением 3. Аналогично соединены пластины 2. Электрические выводы от пластин 1 и 2 выполнены гибкими проводами и подключены через усилитель 4, состоящий из двух транзисторов, к регистрирующему прибору или, например, пороговому устройству типа реле
5 (фиг.2). В качестве исполнительного устройства применяются сигнальная лампочка 6 и электрический звонок.
Практическое использование способа контроля деформации проверяется следующим образом.
12787бО
Ф 7
Поочередно в каждой из плоскостей проводится деформация грунта, величина и скорость которой определяются по величине деформации грунта и энергии, затрачиваемой на образование этой деформации (табл.4).
При образовании деформации измеряется не только величина электрического сигнала на вторичной обмотке трансформатора (табл.4), но и факт срабатывания исполиительного устройства (реле, сигнальной лампы и электрического звонка).
Кроме этих испытаний проводятся испытания по измерению величины трансформируемого,электрического сигнала при деформации контакта различных геологических пород. Испытаниям подвергается контакт гранита с известняком,, отводящими проводниками от последних служат медные провода, на которых при отсутствии раэнородных горных пород сигнал практически отсутствует.
1 Ф о р м у л а изобретения
Способ контроля процесса деформации горных пород,при котором на
V объекте исследований размещают металлические электроды, измеряющие электрические сигналы, по изменению которых во времени судят об изменении напряженности деформированного состояния горных пород, о т л и ч аю шийся тем, что, с целью повыщения экономичности и чувствительности контроля путем измерении объемных зарядов, электроды размещают в горных породах в виде трех взаимно перпендикулярных пар металлических пластин и измеряют разность потенциалов и величину электрического тока мвкду двумя электродами, каждый из которых образован тремя смежными металлическими пластинами.
Составитель Л.Воскобойников
Редактор И.Горная Техред В.Кадар Корректор А.ОбРУчаР
Заказ 6831/43 Тираж 728 Подписное
ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий
113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д.4/5
Производственно-полиграфическое предприятие,r.Ужгород, ул.Проектная, 4
