СПОСОБ КОНТРОЛЯ ИЗМЕНЕНИЯ НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ ГОРНОГО МАССИВА Российский патент 2002 года по МПК G01V1/00 

Изобретение относится к геофизике и может быть использовано в горнодобывающей промышленности для исследования и обеспечения контроля зарождающихся процессов, ведущих к разупрочнению массива.

Известен пассивный способ геофизического контроля горного массива, в котором оценку среднего значения и дисперсию принятых сигналов акустической эмиссии проводят в разные по времени и одинаковые по объему интервалы на различных уровнях в каждой микрозоне, а о прошедших физических изменениях в массиве судят по выполнению неравенства [1].

Недостатком такого способа является то, что поток сигналов акустической эмиссии от естественных источников имеет пропуски по вине технических средств, которые не могут находиться в постоянной работе, что невозможно устранить в шахтных условиях. А любой пропуск вызовет искажения данных, которые уже невозможно использовать в способе для получения достоверных результатов.

Известно устройство, реализующее способ, в котором ведется прозвучивание массива сейсмоакустическими импульсами и определение спектра импульсов, а о геомеханических изменениях в массиве судят по сравнению спектров [2].

К недостаткам следует отнести низкую чувствительность и неспособность отслеживать слабые изменения напряженно-деформированного состояния горного массива, что весьма необходимо для ведения прогноза разрушения иерархически более крупных изменений в нем.

Более близким является способ, в котором излучают в массив УЗ шумовой стационарный сигнал, имеющий нормальное распределение со средним значением, равным нулю. Принимают прошедший шумовой сигнал и измеряют его дисперсию и период автокорреляционной функции. Считают, что положение максимума зоны опорного давления соответствует точке массива с максимальной дисперсией и минимальным периодом автокорреляционной функции принятого сигнала [3].

К недостаткам следует отнести низкую чувствительность, т.к. этот способ интегральный и в нем оценивается дисперсия всего сигнала в целом.

Заявленное решение направлено на повышение чувствительности контроля изменения напряженного состояния горного массива.

Поставленная цель достигается тем, что в известном способе, заключающемся в прозвучивании участков массива сигналами, определении дисперсии сигнала, прошедшего контролируемый участок горного массива, в качестве зондирующего сигнала используют серию, состоящую из нескольких пачек равномерных импульсов, дополнительно оценивают дисперсию составляющих спектра сигнала, прошедшего контролируемый участок горного массива, причем частота повторения серии импульсов определяется скоростью геомеханических процессов в массиве, а длительность импульсов в пачке и скважность назначают одинаковой и выбирают исходя из детальности контроля.

Сущность предлагаемого способа заключается в следующем.

При прозвучивании массива в качестве излучающего сигнала используют серию, состоящую из нескольких пачек равномерных импульсов (фиг.1). Такой сигнал, пройдя контролируемый участок горного массива, будет иметь в своем спектре особенности, т.е. характерные изменения амплитуд отдельных гармоник. Спектр одной пачки импульсов, прошедшей контролируемый участок горного массива, показан на фиг.2. Здесь Aω₁...Aωn - амплитуда на соответствующих частотах ω₁...ωn;ω₀₁...ω_0k - частоты, при которых функция спектральной плотности равна нулю. При прохождении всей серии через контролируемый участок получим столько спектров, сколько пачек в серии. Каждый раз сигнал, прошедший контролируемый участок, фиксирует в своем спектре различные изменения спектральных составляющих, что соответствует физическим изменениям состояния горного массива. Причем более высокие гармоники отвечают за более мелкие изменения структуры горного массива, и наоборот.

Для достижения высокой чувствительности контроля необходимо оценивать дисперсию амплитуд в спектре сигнала, прошедшего контролируемый участок горного массива, т.к. она оказывается более чувствительной к изменениям. Оценка дисперсии определяется с помощью следующего выражения:

где k - номер серии;
i - номер гармоники;
j - номер пачки в серии;
n - количество пачек в серии;
- оценка дисперсии амплитуды i-й гармоники k-й серии;
- среднее значение амплитуды i- гармоники k-й серии;
A_ij ^k - значение амплитуды i-й гармоники j-й пачки k-й серии.

Так, при прохождении одной серии через контролируемый участок горного массива получим столько оценок дисперсии амплитуд, сколько гармоник было выбрано для контроля. При повторении серии, частота которой зависит от скорости геомеханических процессов, получим новые значения оценок дисперсий выбранных амплитуд, которые подлежат сравнению.

Длительность импульсов и скважность в пачке должны быть одинаковы. При достаточно детальном ведении контроля обращает на себя внимание тот факт, что при больших значениях скважности спектр сигнала содержит очень большое число медленно убывающих по амплитуде гармоник, что позволяет весьма тщательно исследовать тот или иной участок массива либо сооружения.

От длительности импульса τ зависит нуль функции огибающей спектра ω_0i (фиг. 2). Так, при исследовании более высокочастотной части спектра, отвечающей за очень мелкие физические изменения структуры массива, ω₀ следует сместить вправо по оси ω, для чего уменьшают длительность τ.
Сравнивая, таким образом, полученные оценки дисперсии сигналов предшествующих с последующими, можно по их изменению с большей чувствительностью оценить изменение физического состояния контролируемого участка горного массива.

Эксперименты проводились на образцах горных пород со стороной куба 30, 50, 70 мм. На выбранных образцах фиксировались возбуждающий и приемный датчики. Излучение велось сериями, состоящими из пачек прямоугольных импульсов амплитудой около 10 В. К выходу приемного датчика был подключен анализатор спектра с памятью SWRl0ls фирмы SIEMENS. Оценки дисперсии определялись в диапазоне частот 0,2-2,0 МГц. При незначительном изменении нагрузки на образцах изменялась (увеличивалась) оценка дисперсии, причем в высокочастотной области более значимо, в то время как усредненный спектр сигнала оставался без изменения.

Литература
1. Патент РФ 2090905 от 20.09.97г., G 01 V 1/00 БИ 26.

2. Авт. св-во СССР 1645511, 1991г., E 21 C 39/00, БИ 16.

3. Авт. св-во СССР 1452984, 1989г., E 21 C 39/00, БИ 3.

Использование: в горной промышленности для контроля изменения состояния массива на более ранней стадии образования несплошностей, ведущих к динамическим проявлениям. Сущность: в качестве зондирующего сигнала используют серию равномерных импульсов, дополнительно оценивают дисперсию составляющих спектра импульсов, прошедших контролируемый участок горного массива, и по ее изменению в последующих сериях судят о произошедших изменениях в массиве. Технический результат: повышение чувствительности контроля напряженно-деформированного состояния горного массива. 2 з.п.ф-лы, 2 ил.

1. Способ контроля изменения напряженного состояния горного массива, включающий прозвучивание участков массива сигналами, определение дисперсии сигнала, прошедшего участок массива, отличающийся тем, что в качестве зондирующего сигнала используют серию из нескольких пачек равномерных импульсов, дополнительно оценивают дисперсию составляющих спектра сигнала, прошедшего контролируемый участок массива, по формуле

где k - номер серии;
i - номер гармоники;
j - номер пачки в серии;
n - количество пачек в серии;
- оценка дисперсии амплитуды i-й гармоники k-й серии;
- среднее значение амплитуды i-й гармоники k-й серии;
A_ij ^k - значение амплитуды i-й гармоники j-й пачки k-й серии;
и по их изменению в последующих сериях судят об изменении напряженного состояния горного массива в целом. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что частота повторения серии импульсов определяется скоростью геомеханических процессов в массиве. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что длительность, амплитуда, скважность импульсов в пачке должны быть одинаковыми и выбираются исходя из детальности контроля.