Измерение напряжений поляризационно-оптическим методом с помощью фотоупругих датчиков

Лекция №12,13,14

Измерение напряжений акустическим и ультразвуковыми методами

Измерение напряжений электрометрическим методом

Измерение напряжений поляризационно-оптическим методом с помощью фотоупругих датчиков

Акустический метод основан на использовании способности большинства горных пород генерировать упругие звуковые импульсы микроразрушений при изменении напряженного состояния массива. Основным критерием при этом методе исследований является число возникающих в массиве упругих звуковых импульсов в единицу времени (шумность) и их изменение во времени. При исследовании некоторых специфических проявлений горного давления (горные удары, внезапные выбросы угля и газа) изучают также частотный спектр импульсов и их амплитуду.

Упругие звуковые импульсы, возникающие в горном массиве, регистрируются с помощью акустической (звукометрической) аппаратуры. В комплект акустической аппаратуры входят геофоны (датчики) различных конструкций (пьезоэлектрические, электродинамические), предназначенные для приема звуковых импульсов, электронные усилители мощности принятых геофонами сигналов и индикаторные устройства (головные телефоны, магнитофоны, осциллографы и др.), служащие для регистрации принятых звуковых импульсов, источники питания и соединительные кабели.

Для акустических наблюдений может применяться аппаратура двух типов: стационарная и переносная. Стационарная аппаратура предназначена для длительных наблюдений при неизменном положении геофонов, установленных в скважинах. С помощью этой аппаратуры можно автоматически записывать звуковые импульсы одновременно от нескольких геофонов (при многоканальной аппаратуре) или поочередно. Параллельно с автоматической записью следует производить регистрацию импульсов на слух с помощью головных телефонов для выделения и учета звуковых импульсов, появление которых не связано с микроразрушениями горных пород (всякого рода производственные шумы). Переносная аппаратура применяется для периодических наблюдений с регистрацией импульсов на слух с помощью головных телефонов.

В настоящее время акустический метод широко используется при исследованиях устойчивости боковых пород, а также для прогнозирования горных ударов, внезапных выбросов угля и газа и разработки мероприятий по их предотвращению.

Ультразвуковой методоснован на зависимости скорости упругих волн в массиве горных пород от действующих в нем напряжений. С увеличением напряжений скорость упругих волн, прошедших через исследуемый массив, возрастает, а при их снижении напряжения, особенно в стадии разрушения массива, резко падают. Зависимость между скоростью распространения волн в горных породах и напряжением в них устанавливается в лабораторных условиях на образцах породы, взятых из изучаемого массива, или в шахтных условиях — с применением давильных устройств.

Методика исследований ультразвуковым методом заключается в бурении скважин на необходимую глубину с установкой в них излучателя и приемника ультразвуковых колебаний на определенном, расстоянии друг от друга (рис. 1). На этой базе определяются скорости прохождения ультразвукового импульса, а по ним судят об уровне напряженного состояния. Число и направление буровых скважин определяется целью решаемых задач.

Рис. 1. Схема сквозного прозвучивания массива между двумя параллельными шпурами: 1 — излучатель; 2 и 2' — приемное устройство (два положения)

В основе электрометрического метода оценки напряжений в массиве лежит взаимосвязь давления и электрического сопротивления горных пород.

Как известно, все твердые вещества по электрическим свойствам можно разделить на три следующие группы: диэлектрики, проводники и полупроводники. В диэлектриках бóльшая часть заряженных частиц находится в связанном состоянии. Именно к ним отностятся практически все горные породы.

Проводники характеризуются свободными электронами, легко перемещающимися по объему вещества. Некоторые богатонасыщенные металлические руды проявляют свойства проводников.

Полупроводники характеризуются слабой взаимосвязью заряженных частиц, при этом внешнее электромагнитное или тепловое воздействие может значительно увеличить количество носителей электрического заряда. К полупроводникам относятся некоторые рудные минералы. Большинство горных пород, являющихся, как указано выше, диэлектриками, имеет электролитическую природу проводимости. Другими словами, ток в этих породах проводят насыщающие их флюиды – растворы минеральных солей, щелочей и кислот. Таким образом, проводимость таких пород в значительной степени зависит от их трещиноватости и пористости, а также наполненности их различными флюидами.

Основной характеристикой, описывающей степень проводимости горных пород, является объемное удельное электрическое сопротивление, определяемое формулой

ρ_V = (R_VS)/h,

где R_V – объемное сопротивление образца, Ом; S – площадь электрода, м² ; h – толщина образца, м; ρ_V – удельное электрическое сопротивление, Ом·м (ом метр).

Удельное электрическое сопротивление зависит от состава пород и минералов и варьируется в широких пределах. Так, для магнетитов, являющихся проводниками, ρ_V ≈ 10^-5 Ом·м, а для некоторых слюд, проявляющих диэлектрические свойства, ρ_V ≈ 10¹⁷.

Для решения задач определения напряженного состояния массива важным является тот факт, что изменения величины удельного сопротивления с ростом давления в различных породах могут носить различный характер. Например, для пород с высоким содержанием флюида повышение давления приводит к закрытию пор и трещин, что вызывает рост ρ_V. С другой стороны, для малопористых пород с низким содержанием влаги повышение давления приводит к уменьшению расстояния между токопроводящими элементами, что, в свою очередь, приводит к уменьшению удельного сопротивления.

При изучении распределения напряжений в массиве горных пород применяют метод подземного электрического зондирования (ПЭЗ) (рис. 4.13).

В методе ПЭЗ измерительные электроды MN оставляют неподвижными, а питающие электроды АВ постепенно разносят, рассчитывая при этом кажущееся электрическое сопротивление по формуле

ρ_k = k(ΔU/I)

где ΔU – разность потенциалов между измерительными электродами MN; I – сила тока питающих электродов АВ; k – коэффициент установки, определяемый расстоянием между питающими и измерительными электродами.

По результатам измерений строят зависимости распределения рассчитанных значений ρ_k от расстояния между АВ, характеризующие изменение ρ_V с глубиной.

Для определения динамики напряженно-деформированного состояния массива необходимо производить многократные измерения.

Следует отметить, что электрометрические методы дают в основном качественную информацию о распределении напряжений в массиве и не предназначены для определения их абсолютных значений.

Измерение напряжений поляризационно-оптическим методом с помощью фотоупругих датчиков

Принцип действия фотоупругих датчиков для измерения напряжений в горных породах основан на использовании свойства некоторых изотропных прозрачных материалов приобретать временное двойное лучепреломление при нагружении, т. е. становиться оптически анизотропными.

Методика проведения измерений.с помощью фотоупругих датчиков заключается в следующем. На исследуемый объект наклеивается датчик, представляющий собой тонкую пластинку из оптически активного материала. Смещение точек поверхности исследуемого объекта при его нагружении вызывает соответствующие деформации фотоупругой пластинки.

Поляризованный луч света (рис. 2), направленный на фотоупругую пластинку, отражается от поверхности массива или специального отражающего слоя и проходит толщину пластинки дважды.

Рис. 2. Схема измерений с применением фотоупругих датчиков:

1 — источник света; 2 — поляризатор; 3 — зеркало; 4 — фотоупругая пластинка; 5 — отражающий слой; 6 — массив; 7 — анализатор; 8 — глаз наблюдателя

Из фотоупругой пластинки свет выходит в виде двух лучей, поляризованных в направлении действия главных напряжений, причем один из них запаздывает относительно другого. Относительная разность хода лучей Г связана с разностью главных напряжений в пластинке зависимостью

Г = 2dC (σ_1п – σ_2п),

где d — толщина пластинки; С — оптическая постоянная материала покрытия по напряжению; σ_1п и σ_2п — главные напряжения в пластинке.

Связь любого из напряжений в исследуемом объекте с напряжениями в фотоупругой пластинке определяется по формуле

Таким образом, для определения главных напряжений на торце керна в скважине необходимо знать упругие постоянные горных пород Е и μ; упругие и оптические постоянные материала фотоупругого покрытия Е_п, μ_п, С и измерить относительную разность хода лучей Г.

Поляриза́тор —- устройство, предназначенное для получения полностью или частично поляризованного оптического излучения из излучения с произвольным состоянием поляризации. В соответствии с типом поляризации, получаемой с помощью поляризаторов, они делятся на линейные и круговые. Линейные поляризаторы позволяют получать плоскополяризованный свет, круговые — свет, поляризованный по кругу.

Линейные поляризаторы основаны на использовании одного из трёх физических явлений. Одно из них — двойное лучепреломление, другое — линейный дихроизм и третье — поляризация света, происходящая при отражении на границах раздела сред. Круговые поляризаторы обычно представляют собой совокупность линейного поляризатора и четвертьволновой пластинки.

Поляризаторы используются при изучении распределений механических напряжений в прозрачных объектах с помощью поляризованного света.

Изотропи́я, изотро́пность — одинаковость физических свойств во всех направлениях. Изотропная среда — такая область пространства, физические свойства (электрические, оптические) которой не зависят от направления. Например, показатель преломления оптически изотропной среды одинаков во всех направлениях.

Анизотропи́я — различие свойств среды (например, физических: упругости, электропроводности, теплопроводности, показателя преломления, скорости звука или света и др.) в различных направлениях внутри этой среды; в противоположность изотропии.

Дата добавления: 2018-05-09; просмотров: 423; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

Мы поможем в написании ваших работ!