Способ определения динамического состояния участков массива горных пород

 

Использование: прогноз и контроль удароопасности горного массива. Сущность изобретения: определяют химический состав пород на исследуемом участке массива . По валентности и атомному номеру входящих в породу элементов определяют энергию возбужденных энергетических уровней электронов в атомах и протонов в ядрах элементов. На исследуемом участке принимают электромагнитное излучение. Определяют энергию излучения и диапазоны регистрируемых частот. По полученным да.нным устанавливают потенциальную энергию деформирующихся и разрушающихся участков массива. По значению потенциальной энергии определяют масштаб и характер возникающего разрушения. 1 з.п. ф-лы, 3 табл. ЈЛ

СО!ОЗ COBЕТС.КИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)5 Е 21 С 39/00

МИЙОН гез гя

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕ>IT СССР) к двто ском свидктяльств

1 (21) 4734622/03 (22) 14.06.89 (46) 28,02.93. Бюл, № 8 (71) Кузбасский политехнический институт (72) А.С.Денисов (56) Авторское свидетельство СССР

¹ 1452983, кл. Е 21 С 39/00, 1987.

Егоров П,В. и др. Исследование фотоэмйссии горных пород в натурных условиях, Напряженно-деформированное состояние массивов горных пород;Сб, науч.тр.,Новосибирск, 1988, с. 135-140. (54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ДИНАМИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ УЧАСТКОВ МАССИВА

ГОРНЫХ ПОРОД

Изобретение относится к горному делу. в частности. к способам определения динамического состояния массива по энергетическим параметрам и фотонной эмиссии гор н ых пород.

Цель изобретения — повышение точности определения динамйческого состояния участков массива, Сущность изобретения заключается в разработке способа оценки потенциальной энергии йапряженных горных пород попараметрам их фотонной эмиссии.

Способ определения динамического состояния участков массива горных пород выполняется следующим образом.

Предварительно определяют химический состав исследуемого участка массива, табл, f. По периодической системе элементов Д.И.Менделеева определяют валентность и атомный номер (заряд) элементов, входящих в состав породы данного участка,, >5M(1798499 А1 (57) Использование: прогноз и контроль удароопасности горного массива. Сущность изобретения. определяют химический состав пород на исследуемом участке массива, По валентности и атомному номеру входящих в породу элементов определяют энергию возбужденных энергетических уровней электронов в атомах и протонов в ядрах элементов. На исследуемом участке принимают электромагнитное излучение.

Определяют энергию излучения и диапазоны регистрируемых частот, По полученным данным устанавливают потенциальную энергию деформирующихся и разрушающихся участков массива. По значению потенциальной энергии определяют масштаб и характер возникающего разрушения, з.п. ф-лы, 3 табл.

Определяют энергию возбужденных энергетических уровней электронов в атомах и протонов в ядрах химических элементов из соотношения я,ур =а 2m

= ао- для энергетических уровней электрически возбужденных протонов в ядре);

Z — заряд химического. элемента;

m< — масса электрона; с — скорость света в вакууме, Результаты. найденных энергий основных возбужденных уровней приведены в табл.2.

Далее, регистрируют диапазоны частот электромагнитного излучения пород иссле1798499 (2) =7,47х101з Д з

II Е. еЧв.ур= Еф. Nv =

9/ в.ур.= F.â.óð NV в.ат, (4) (5) е4 V = — ».Г Znmec Nv, 3 г

2 ее V = — г Zmec Nv, 2

2 (6) (7) Ее V =aZmec Nv, г

Еф= ев,ур= (х Zmec г (9) дуемого участка. Измерения выполняют с поверхности выработки и с поверхности скважины до глубины в 20 м методом фотонной эмиссии, В натурных условиях нагруженные породы деформируются, Этот 5 процесс сопровождается образованием микротрещин и излучением граничных фотонов, что подтверждается эмиссией электронов.

Общеизвестно, что энергии регистриру- 10 емых граничных фотонов равны энергиям возбуждений соответствующих основных уровней атомов: где h — постоянная Планка: ю р — граничная частота;

М» р граничная длина волны, Сумма энергий всех возбужденных атомов участка породы составляет потенциальную энергию. Удельную энергию езв.ур элементарных возбуждений определяют по энергиям регистрируемых с единицы поверхности пород фотонов с максимальной энергией

Е s в.ур = Е в.ур NS в.ат, (3)

19

30 где NS e, = 0-2,5х10 — — — количество мг возбужденных атомов, приходящихся на единицу площади.

Количество излучающих атомов опреде- 35 ляют по регистрируемой .интенсивности с учетом приборных данных, химического состава пород и их излучающей площади.

ПотенЦиальнУю энеРгию еУв ур. или объемную плотность энергии возбужденных 40 атомов определяют из выражения где Nv ват. = 0-1,25x10 — — количество 45

29 1

2 возбужденных атомов в единице обьема, В горном массиве при насыщении энергией уровней валентных электронов, она передается сначала энергетическим уровням 50 внутренних электронов, потом — ближних к ядру электронов, а затем — уровням протонов. Поэтому, при появлении признаков регистрации рентгеновского излучения, потенциальная энергия участка массива on- 55 ределяется по максимальной энергии уровней предыдущего диапазона внутренних электронов, а при появлении признаков регистрации гамма излучения потенциальная энергия участка массива пород определяется по максимальной энергии уровней предыдущего диапазона ближних к ядру электронов.

Механическое возбуждение ионных связей при трехосном сжатии пород в натурных условиях приводит к последовательному заселению возбуждениями энергетических уровней все более глубоких микроструктур атомов и их ядер. Поэтому появление первых признаков рентгеновского излучения свидетельствует о насыщении энергией уровней внутренних электронов, Максимальная энергия соответствующих квантов излучения равна Еф =5,97607х10 Дж. а потенциальная энергия исследуемого участка при этом составляет

Е еЧв.ур. = Еф. NV=5,98х10 х1.25х10

-16 29

Появление первых признаков гамма-излучения свидетельствует о насыщении энергией уровней ближних к ядру электронов. По их максимальной энергии определяют потенциальную энергию участка массива

=8,9х10 х1.25х10 =1,02х10 м

При насыщении энергией даже только ионных связей все атомы становятся возбужденными. Поэтому в приведенных выше двух примерах йч=йч в ат

Используя известные аналитические выражения

» ер V =й Zmpc Nv, (8) где ерш — потенциальная энергия электрического возбуждения протонов; и — валентн ость;

mp — масса протона и энергию регистрируемых граничных фотонов

1798499 а потенциальная

euv- eus 5 10 =65,52 5 10 =3.28 10 мз

C помощью приборов ДРГЗ-02 и ДРГЗ01 определяют граничную частоту излучения. При, проведении камуфлетного взрывания BB в шести скважинах в забое орта 9 прибором ДРГЗ-02 было зарегистрировано мягкое излучение величиной 35 мкР, При подвижке блоков шахтного поля в межэтажной выработке между гор.-210 м и горЛ40 м с поверхности скарнов в щели также было зарегистрировано мягкое излучение величиной 5-6 мкР с помощью прибора ДРГЗ-02. При появлении признаков мягкого излучения потенциальная энергия определяется по уровню энергии связей внутренних электронов е ч ецзх137х5х10 =

42х137х5х10 =2,9х10 з

8о время землетрясений в орте 9 rop.210 м на глубине скважины 4,2 м регистрировалось изменение жесткого излучения до

20-25 мкР с помощью дозиметра ДРГЗ-01.

При появлении признаков жесткого излучения потенциальная энергия определяется по уровню связей ближних к ядру электронов:

4у ецзх1372x5x109\

65х137 х5х10 =6,1х10 з

Постоянное излучение фотонов возможно только при постоянном притоке энергии. Каждый квант энергии микровзаимодействий, доходящий до поверхности скважины, излучается вследствие релаксации возбужденных атомов. Диапазоны час.тот для возбужденного состояния электронов различных энергетических уровней и протонов в процессе электромагнитного излучения принимают значения; для валентных электронов 4,8х101 -6,6х1015 Гц;

5 для внутренних электронов 6,7х10 9,0х10 Гц; для ближних к ядру электронов

9,1х10 -1,2х10 Гц и для протонов в ядре

17 20

1,3х10 -1,6х10 Гц.

Экономический эффект способа соци10 альный, заключающийся в повышении безопасности труда горнорабочих и безопасности горно-промышленной техники, Формула изобретения

15 1. Способ определения динамического состояния участков массива горных пород. включающий регистрацию электромагнитного излучения горных пород на исследуемом. участке массива и измерение частоты

20 излучения, по изменению которой определяют динамическое состояние участка массива, отличающийся тем, что, с целью повышения точности определения, предварительно определяют химический состав

25 породы на исследуемом участке и диапазоны частот электромагнитного излучения для возбужденного состояния электронов различных энергетических уровней и протонов ядер химических элементов, входящих в со30 став породы, затем по измеренной частоте электромагнитного излучения устанавливают уровень возбуждения электронов и протонов и определяют потенциальную энергию исследуемого участка массива, по

35 которой оценивают его динамическое состояние.

2. Способ по и. 1, отличающийся тем, что диапазоны частот для возбужденно. го состояния электронов различных энерге"40 тических уровней и протонов принимают равными: для валентных электронов

4.8 10- -6,6 10 Гц, для внутренних элект13 15 ронов 6.7 10 -9,0 10 Гц, для ближних к

15 7. ядру электронов 9,1 1017-1 2 1020 Гц и д я

45 протонов вядре1,310 -1,610 Гц.

1798499 получают аналитические выражения для определения потенциальной энергии возбужденных валентных уровней

E4V — Пп т!е NV в,ат, уровней внутренних электронов

ЕЕЧ = — h т!е NV в.ат., 2 ближних к ядру электронов! ! ! ЕеЧ = h1!е NV â.àò., уровней протонов

ЕрЧ = h т р NV в.ат. (10) (11) 10 (12) (13) и используют их для определения потенциальной энергии деформируемых и разрушаемых участков массива пород, очагов горных ударов и землетрясений с целью предсказания размеров возможных разрушений, поскольку известные выражения (58) позволяют определять естественную энергию стационарного состояния пород (пропорциональную ее прочности), предлагаемые — потенциальную, накопленную (вредную) энергию.

Как показали многочисленные экспериментальные исследования в натурных условиях, каждому диапазону уровней потенциальной энергии соответствует свое динамическое состояние массивов горных пород, разновидности которых приведены в табл,3, где в колонке 2 энергии ионных связей е представлены диапазонами удельных энергий ионных связей пород, зависящих от диапазонов их химического состава, регистрируемых интенсивностей и частот. Остальные параметры пород определяют используя регистрируемые диапазоны частот и зависимости для удельных ! И 40

ЭНЕРГИЙ EeS, EeS, EpS, СОДЕРжаЩИЕСЯ В КОЛОНКЕ 2, И ДЛЛ ОбЬЕМНОй ПЛОтНОСтИ ЭНЕРГИИ EеЧ, Eev Eev Epv, содержащиеся в 3 колонке. и соотношения (10-13).

В натурных условиях перераспределе45 ние энергии в ходе ведения горных работ, тектонические явления и землетрясения приводят к сжатию и растяжению различных участков массива пород в зависимости от их геологического строения и направления действия сил. При этом атомы, составляющие породы возбужда1отся. Сумма энергий всех возбуждений участка составляет его реальную потенциальную энергию;

Чем дальше расположен очаг накопления энергии от мест возможной его релаксации (горной выработки), тем больше накапливается в нем энергия и возбуждаютсл более глубокие уровни микроструктур атомов.

Регистрируетсл широкий диапазон длин волн 1,0х10 -1,2х10 м, Установлено, -12 -6 что с увеличением нагрузки на участке массива увеличивается регистрируемая частота от радиоволн до гамма излучения и хотя все более низкочастотные диапазоны излучения в ходе возрастания нагрузки и активизации процессов разрушения также сохраняются, однако, основную информацию о стадии разрушения несет максимум увеличивающейся частоты.

Способ определения динамического состояния участков массива горных пород реализуется с помощью измерителей фотонной эмиссии типа ИФЭ-1 (ФЭУ-83, ФЭУ-112), ИФЭ-2 (ФЭУ-80, ФЭУ-142), дозиметров ДРГЗ-01 (ФЭУ-93) и ДРГЗ-02 (ФЭУ92), снабженных воздухоэквивалентными сцинтилляторами. В способе использованы результаты измерений, выполненныес

1983 года по 1991 год до и после горных ударов и массовых взрывов и в периоды землетрясений, Примеры конкретного исполнения, С помощью приборов ИФЭ-1 и ИФЭ-2 определяют наибольшую частоту фотонной эмиссии на исследуемом участке массива в зоне опорного давления или в зоне максимального излучения. Наибольшая частота излучения в период землетрясения мощностью 4,5-5 баллов, определенная с помощью прибора ИФЭ-1 и светофильтров при измерении с рабочей поверхности скважины (регулируемой экраном), пробуренной в северном борту орта 9 гор. — 210 м, составила (500 нм) 6х10 Гц. Это соответствует

14 удельной энергии участка, равной е з= E o.yp NS=6,62x10 xáx1014х2,5х х 10 — х2,4=35,75 Д

2 и потенциальной энергии

Ellv= E„sx5x10 =1,78х10 з

При измерении прибором ИФЭ-2 на преобладающей частоте в скважине, пробуренной в забое орта 9, получен результат:

v =1,5 10 Гц (200 нм). На данном участке

15 удельная энергия составляет ,3

EuS= в.ур. NS=hт! !! !Я вЂ” пср,=

156,62 10з92,51019=65 2 Дж

1798499

10 сч л см м

К

X

cL)

)g

36 о

CL о

1и

Ф

l2 о

)z

0)

З

)-.

A х

Y и

c))

К

S х

CL

)cD

l!) а

Щ о

3о

Y и

4) с о

lf)

Iз

cU

Iс:| о

|-С о

CL о

1:

Ф с))

Iи о с ) х

Х

fg

Ф о

)"3.

)))

Ц и и

Q)

)и о и

>5

Y и

c))

S

S х

1

1

l

S е о. е о

)=

lS 1

cf! 1 .0

X 1 IЭ 3 и

С | O

>S

l2 о

IS а о )S S

CL () ) S

° f )1 Х

S l ф

>Я

Б

X

Iо

«С

S I Щ

Х 1 cD

1 !

I

)

I

t !

1

1

)

t !

I

1

I

I

I

I !

I

1

1

l

I

1

I

1

1

1

I

l

3

I

1 !

3

I

1 !

I

I

t

I

О

f» 1

).4

1 1 ! — —

1 1

1 4) 1

О с) )

) а |

) |.О

I 1 ! o

1 g t ! Е 1 1

1 t 1

1 I

1 с ) 1

1 O л

1 л) I 1

1 I

3 3

1 I сС1 о )сл

1 CV I

I Q I O

1 I

1 1

I I

) O I с) ) =)I Ф 1.

Е о

Г ! 1

I I

I O I O

I cd I л

u m

1 3

1 3

1 1

f О)о — 1 л

О ) сч

l d)

1 + I CO

I I °

3 Д.

I сс) 1

О 1 м

1 с41 ! Э I -Ф

I 1 3 !

3 33 I ! o

I eq 1 - 2 л

r -;г

1 1 ! „! )4

1 Q 1 в

I л 1

I M 1

\- — .

1 сч

I Ф

1 Ф о

I 15;

3 )I Ф

1 Х

I ! Ю

I

) Щ

t cX ! з а

l 1 1 с| Л с) л в

- 4 м Г" \

1 1! I 1

- 4 л- о в л

)4) LA O о о а

° . в Г\ -4

- 4

° с,) л сМ с ) с4

o cp в л в с) о с) lA л л

-) в- ) с" \ СО

I л в сч о

СО с 4 N л

N 0) 3 с) o o л л л ц о м О tA

Б

)О

I- d) Х S Ò а r т

С|) Э lf) S с) о о.

t

1

1

3 !

|

1

I

I

1

1

I

f

1

1

3

1

1

I

)

3

1

1 !

) !

1

I

I

I

I

1

I

I

1

1

3

1

I

I

I.

t

i О с4

f Й I ! M I с4

1 !

О)

I I

С), l сЛ

f ! )

) o

1 Ч

1 g сЧ !

I )

О с.)

1 f

1 1

I ° Л I

1 Ел I -- 4 ! 4

I 3 ! o

1 1

I Я I 1

I I

l Q I с 4

1 3

I cC) 1

l Ri 1 ) С)

1 — — 4

О l с |

I — t

1 1

1 cd с 4 с)

1 — — 3

О ) с)

) )

1 I

c)o

I Е М !

I о с|

I f

I d) 1

I W I ×

I |

r o1

1 — — 4

I 1

I CLl 1 м

3 — — 1

I 1

o) сч

1 — — 4

1 г-| 1

I Q 3 е

3 I

o сч

l t

I Л 1

1 сЛ 3 -4

I !

I

I

I !

1 !

1

1

t .1

l

I

I

I !

I

1

1 !

1

I

I

I

I

1

I

1

I

I

1

3

I

I

I

I

f

I

1

3 .l

I

I

1

I

I

t

1

I

i .l

1

1

1798499

Таблица2

Энергия основных энергетических уровней электронов в атомах и протонов. д ядрах химических элементов, входящих в состав исследованных горных пород (ЬЕ=&-30) Плотность энергии, Дж

-Ю -Ф (2, 54720х10 - 0,95520х10 )

=(7 —, ь (3,48968х10 - 1, 30863x10 ) (4,78086х10 1,70282х 10 )

« и у (8,76616х10 - 3,28?31х10 ) ° «««»ее « °

=с(Ешс

= г (Zm(ec

= a Ешвс2

= 0(Ешвс2 таблица3 йвранетри потенциэльнзй энергии н фотонной эмиссии участков массива горних пород прн рэзличгегх стадиях из разруцения

Обминая плот иэсть энергизг ,Дх/нз

«кз««

Потенциальная энергия учзст ков

Дя/и

Удельная эмергмя

)4г/нз

Уровни энергим атома

Диапазон фотонной эмиссии Д ° н таяня динамического состояния йагнетитовая руда us « 5065

Образование никротре Инфракрасное,видиное цмн и тренин (внвал) ультрафиолетовое

6,3хlб +-5,2х10 ф

0-2 ° 52х10 гг 5vv «сивх5х10

0-3,45х10

I I

6ev "сззх5х1гг

Деление участка насстгеа нз куски (виброс, микроудар) Ультрафиолетовое

5,2хигэ 2,9x10 !

Се„ зс х5х1 фз

0-10

r eS «Е„x137e

Двихенме блоков в

° àõVxîx поле (собстве э горгвяз удар) Ультрафнрле тозов рентге еское

2,9хг0" -2,3x1 0.е ага «бмз xl036x137* Юру «Гяз х5хИ 0-1Осу

P рентгеновское, гагвга-излучение

2,3х10 12-1,5х10 а. м блонэв лнтосферн (землетрясение)

Редактор Т.Горячева

Заказ 759 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород. ул.Гагарина, 101

Фсг

2 си

lI

3 Е, 4 Ер

Скали эпмдот-граматовцй

Д„, - 37-40, Диорнтовий лорфнрмт

« 39-45

Сленнт, сланцевьгц туф в„в « 34-41 г

40 -а„ х137

Составитель А.Денисов

Техред М.Моргентал Корректор А Козориз