СПОСОБ ПРОГНОЗА РАЗРУШЕНИЯ ГОРНЫХ ПОРОД И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 1999 года по МПК E21C39/00 G01N29/04 

Изобретение относится к горному делу и может быть использовано для прогноза разрушения массива горных пород при изменении его напряженно-деформированного состояния.

Известен способ контроля нарушения сплошности массива горных пород по А. С. СССР N 1101552, по кл. E 21 C 39/00, включающий регистрацию сигналов электромагнитной эмиссии и измерение их длительности, определение средней длительности, которую принимают за эталонную, сравнивая последующие сигналы с эталонным.

Недостатками способа являются следующие. Не регистрируется амплитуда сигналов электромагнитной эмиссии, что снижает точность и достоверность получаемой информации. Другим недостатком этого способа является то, что не регистрируется количество сигналов, наличие которых также дает дополнительную информацию о процессе изменения напряженно-деформированного состояния в массиве и приближении процесса разрушения.

Известно устройство для обнаружения развивающихся дефектов, включающее последовательно соединенные преобразователь, усилитель, формирователь сигналов и регистратор (см. Грешников В.А., Дробот Ю.Б. Акустическая эмиссия. М. Изд-во Стандартов, 1976, стр. 91).

Недостатками устройства являются следующие. Прежде всего, это устройство необходимо индивидуально настраивать под каждую помеховую обстановку, поэтому оно может использоваться только в лабораторных условиях. Кроме того, устройство предназначено только для контроля объектов, в которых затухание сигнала мало.

Наиболее близким к предлагаемому способу по технической сущности и достигаемому результату является способ прогноза разрушения по А.С. СССР N 1740665 по кл. E 21 C 39/00, включающий регистрацию во времени сигналов электромагнитного излучения и определение их амплитуд.

Недостатком данного способа является следующее. В массиве горных пород при изменении напряженно-деформированного состояния возникают сигналы электромагнитного излучения, которые являются отражением возникающих в массиве трещин. Чем большее количество сигналов будет зарегистрировано, тем большее количество трещин возникло в массиве и, следовательно, тем ближе процесс разрушения. Однако при регистрации сигналов электромагнитного излучения возможен пропуск в счете их количества, либо имеется возможность вместо сигнала электромагнитного излучения зарегистрировать сигнал помехи, что приводит к недостоверности получаемой информации и, следовательно, снижению точности прогноза разрушения горных пород.

Наиболее близким к заявляемому устройству по технической сущности и достигаемому результату является устройство для обнаружения развивающихся дефектов по А.С. СССР N 1128164 по кл. G 01 N 29/04, включающее канал приема и регистрации эмиссионных сигналов с последовательно включенными усилителем и регистратором.

Недостатком данного устройства является следующее. Устройство содержит большое количество различного рода переключателей, что существенно усложняет его и тем самым снижает точность прогноза.

В изобретении поставлена техническая задача по повышению точности прогноза разрушения горных пород, связанная с тем, что во время регистрации сигналов электромагнитного излучения практически отсутствует возможность пропуска полезного сигнала, а также распознавание сигнала помехи, их сравнение и исключение помехи из дальнейшего определения процесса разрушения, что повышает достоверность получаемой информации.

Поставленная задача решается тем, что в способе прогноза разрушения горных пород, включающем регистрацию на интервале времени измерения сигналов электромагнитного излучения и измерение их амплитуд, по которым определяют начало разрешения исследуемого участка массива, согласно изобретению интервал времени измерения разделяют на две неравные части, производя на каждой из них измерение величин амплитуд сигналов через равные промежутки времени, до нагружения исследуемого участка массива определяют интенсивность излучения сигнала помехи, измеряя амплитуды сигналов на большей части интервала времени измерения, а начало момента разрушения определяют по мере нагружения исследуемого участка массива по выполнению соотношения:

где m - количество отсчетов амплитуд сигналов на меньшей части интервала времени измерения;
n - количество отсчетов амплитуд сигналов на большей части интервала времени измерения;
x - величины амплитуд сигналов на большей части интервала времени измерения;
y - величины амплитуд сигналов на меньшей части интервала времени измерения;
i, j - текущие координаты при отсчете амплитуд сигналов помехи и полезного сигнала;
C_Q - пороговая константа, определяемая из таблиц F - распределения Фишера с (n-1), (m-1) степенями свободы (при заданном уровне вероятности ложного принятия решения о срабатывании α).
Разделение интервала времени измерения на две неравные части и измерение амплитуд сигналов на большей из них до начала нагружения исследуемого участка массива позволяет оценить интенсивность излучения сигнала помехи на данном участке, а последующие измерения через равные промежутки времени амплитуд сигнала на меньшем из них по мере нагружения исследуемого участка массива позволяют выявить на фоне сигнала помехи сигнал электромагнитного излучения, не допустить его пропуска и регистрировать все возникающие в массиве сигналы и их амплитуды, что позволяет более точно прогнозировать начало процесса разрушения горных пород.

Поставленная задача в заявляемом устройстве, включающем канал приема и регистрации эмиссионных сигналов с последовательно включенными усилителем и регистратором, решается тем, что в него введены электромагнитный преобразователь-антенна, формирователь порогового напряжения, детектор, компаратор, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) и индикатор, входом подключенный к выходу АЦП, вход которого подсоединен к выходу детектора с подключенными к нему входами компаратора и формирователя порогового напряжения, выход которого подключен ко второму входу компаратора, при этом выход компаратора подсоединен к выполненному в виде свето- и звукового сигнализатора регистратору сигналов электромагнитной эмиссии, а вход детектора подключен к выходу усилителя, ко входу которого подсоединен электромагнитный преобразователь - антенна.

Включение в устройство последовательно электромагнитного преобразователя - антенны, усилителя, формирователя порогового напряжения, детектора и компаратора позволяет после поступления сигнала с детектора на вход формирователя порогового напряжения и с выхода последнего на второй вход компаратора сравнивать уровни сигналов в компараторе и при превышении полученным сигналом уровня предшествующего выдавать сигнал тревоги в звуковой и световой форме, что позволяет обеспечить надежность и достоверность поступления информации к горнорабочим, занятым на подземных работах, а подсоединение к выходу детектора АЦП и индикатора уровня (цифрового счетчика) позволяет постоянно отслеживать величину принимаемого сигнала, анализировать изменение его величин и достижение критических значений, что позволяет повысить точность прогноза разрушения горных пород.

На чертеже изображена структурная схема заявляемого устройства.

Устройство для прогноза разрушения горных пород включает электромагнитный преобразователь-антенну 1, последовательно соединенную с усилителем 2 и детектором 3, выход которого подключен на первый вход компаратора 4, формирователя 5 порогового напряжения, выход которого соединен со вторым входом компаратора 4, и АЦП 6, причем выход компаратора 4 подключен к свето- и звуковому сигнализатору 7, а выход АЦП 6 присоединен к жидкокристаллическому индикатору уровня 8.

Предлагаемый способ реализуется следующим образом. В массиве горных пород на исследуемом участке массива засекают время, считая его началом интервала времени измерения, и в течение продолжительного отрезка времени, например 2-х часов, проводят измерение амплитуд сигнала помехи, например, через 5 минут, регистрируя амплитуду 1-го импульса x₁, 2-го-x₂, 3-го-x₃,...(n-1)-x_n-1, и наконец, n-го - x_n, т.е. получают 24 измерения. При этом были зарегистрированы сигналы помехи с амплитудами 5-7 мкВ. После этого начинают нагружать исследуемый участок массива и в течение 30-ти минут также через 5 минут регистрируют амплитуды сигналов: 1-го -y₁, 2-го- y₂, 3-го-y₃,...,(m-1)-y_m-1 и m-го-y_m. Т. о. на этом участке времени было зарегистрировано 6 сигналов с амплитудами 7-10 мкВ. После этого сравнивают результаты, полученные за разные отрезки времени, и производят расчет по математическому выражению. При этом величину aльфа-порог срабатывания задают равной 10^-3. После этого по таблицам F - распределения Фишера с (n-1) и (m-1) степенями свободы получают пороговую константу C_Q. Например, было получено: C_Q=25,14. Математическое выражение дает величину: 6,52 • 10^-2, что меньше пороговой константы. Следовательно, сигналы электромагнитного излучения, получаемые от возникновения и роста трещин, в данном случае не были зарегистрированы. Затем в следующие 30 мин проводят следующие измерения, продолжая нагружать массив, например, проводкой встречной выработки. Пусть в этом случае были зарегистрированы амплитуды сигналов: 420 мВ, 120 мВ, 230 мВ, 80 мВ, 375 мВ и 575 мВ. Аналогично сравнивают результаты, полученные при измерении амплитуд сигналов помехи и в последнем измерении. Согласно математическому выражению получают 2,7 • 10⁹ >> 25,14, т.е. суммарные амплитуды сигналов за отрезок времени 30 минут значительно превысили суммарные амплитуды сигналов помехи, полученные за 2 часа. Следовательно, в массиве началось интенсивное образование трещин, которые излучают электромагнитные сигналы значительных амплитуд, существенно превышающих уровень сигналов помехи. Т.о. делают вывод о начале разрушения горных пород.

Предлагаемое устройство работает следующим образом. Электромагнитный преборазователь-антенна 1 размещается в исследуемой зоне. Сигнал с выхода электромагнитного преобразователя-антенны 1 подается последовательно на усилитель 2 и детектор 3. Сигнал с выхода детектора 3 подается одновременно на первый вход компаратора 4, на входы формирователя 5 порогового напряжения и АЦП 6. Формируемое на выходе формирователя 5 порогового напряжения пороговое напряжение подается на второй вход компаратора 4. Сигнал с выхода компаратора 4 подается на свето- и звукосигнализатор 7, который отключается напряжением, соответствующим уровню логического "0", и включается напряжением, соответствующим уровню логической "1". Сигнал с выхода АЦП 6 подается на вход цифрового индикатора 8, на котором отображается текущее значение напряжения на выходе детектора 3, пропорциональное уровню сигнала электромагнитного излучения, регистрируемого с помощью электромагнитного преобразователя-антенны 1.

В отсутствие процесса трещинообразования и соответствующего ему сигнала ЭМИ напряжение, поступающее с выхода электромагнитного преобразователя-антенны 1 и подаваемое через усилитель 2 и детектор 3 на первый вход компаратора 4, обусловлено только действием помех и стохастически меньше уровня порогового напряжения, подаваемого с выхода формирователя 5 порогового напряжения на второй вход компаратора 4. Напряжение с выхода компаратора 4 с вероятностью (1-δ), близкой к единице (δ - вероятность ложного обнаружения сигнала ЭМИ), равное напряжению логического "O", подается на вход свето- и звукосигнализатора 7 и отключает его.

При возникновении процесса трещинообразования к сигналу помехи на выходе электромагнитного преобразователя-антенны 1 добавляется сигнал, обусловленный ЭМИ, сопровождающим процесс трещинообразования. В связи с этим напряжение, поступающее с выхода электромагнитного преобразователя-антенны 1 и подаваемое через усилитель 2 и детектор 3 на первый вход компаратора 4, становится стохастически больше порогового напряжения, подаваемого с выхода формирователя 5 порогового напряжения на второй вход компаратора 4. Напряжение с выхода компаратора 4 с вероятностью β, близкой к единице (β - вероятность правильного обнаружения сигнала ЭМИ), равное напряжению логической "1", подается на вход свето- и звукосигнализатора 7 и включает его, подавая сигнал о возникновении процесса трещинообразования и разрушения.

Изобретения могут быть использованы в горной промышленности для прогноза динамических проявлений в массиве при изменении его напряженно-деформированного состояния. Способ включает регистрацию на интервале времени измерения сигналов электромагнитного излучения и измерение их амплитуд. Новым в способе является то, что интервал времени разделяют на две неравные части, производя на каждой из них измерение величин амплитуд сигналов через равные промежутки времени. До нагружения исследуемого участка массива определяют интенсивность излучения сигнала помехи и измеряют амплитуды сигналов на большей части интервала времени измерения. Начало момента разрушения определяют по мере нагружения исследуемого участка массива по выполнению математического соотношения. Устройство включает канал приема и регистрации эмиссионных сигналов с последовательно включенными усилителем и регистратором. В устройство введены электромагнитный преобразователь-антенна, формирователь порогового напряжения, детектор, компаратор, АЦП и индикатор. Технический результат заключается в повышении точности прогноза разрушения горных пород. 2 с. п.ф-лы, 1 ил.

1. Способ прогноза разрушения горных пород, включающий регистрацию на интервале времени измерения сигналов электромагнитного излучения и измерение их амплитуд, по которым определяют начало разрушения исследуемого участка массива, отличающийся тем, что интервал времени измерения разделяют на две неравные части, производя на каждой из них измерение величин амплитуд сигналов через равные промежутки времени, до нагружения исследуемого участка массива определяют интенсивность излучения сигнала помехи, измеряя амплитуды сигналов на большей части интервала времени измерения, а начало момента разрушения определяют по мере нагружения исследуемого участка массива по выполнению соотношения

где m - количество отсчетов амплитуд сигналов на меньшей части интервала времени измерения;
n - количество отсчетов амплитуд сигналов на большей части интервала времени измерения;
x - величины амплитуд сигналов на большей части интервала времени измерения;
y - величины амплитуд сигналов на меньшей части интервала времени измерения;
i, j - текучие координаты при отсчете амплитуд сигналов помехи и полезного сигнала;
С_Q - пороговая константа, определяемая из таблиц F-распределения Фишера с (n-1), (m-1) степенями свободы. 2. Устройство для прогноза разрушения горных пород, включающее канал приема и регистрации эмиссионных сигналов с последовательно включенными усилителем и регистратором, отличающееся тем, что в него введены электромагнитный преобразователь-антенна, формирователь порогового напряжения, детектор, компаратор, АЦП и индикатор, входом подключенный к выходу АЦП, вход которого подсоединен к выходу детектора с подключенными к нему входами компаратора и формирователя порогового напряжения, выход которого подключен ко второму входу компаратора, при этом выход компаратора подсоединен к выполненному в виде свето- и звукового сигнализатора регистратору сигналов электромагнитной эмиссии, а вход детектора подключен к выходу усилителя, ко входу которого подсоединен электромагнитный преобразователь-антенна.