СПОСОБ КОНТРОЛЯ ИЗМЕНЕНИЯ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ ГОРНОГО МАССИВА Российский патент 2002 года по МПК G01V1/00 

Изобретение относится к геофизике и может быть использовано в горнодобывающей области для обеспечения контроля изменения физического состояния горного массива, склонного к динамическим проявлениям.

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

Недостатком такого способа является необходимость постоянной длительной работы контролирующих технических средств, что на практике выполнить невозможно, а любой пропуск регистрируемых параметров во времени весьма существенно искажает данные, которые уже нельзя использовать в способе.

Более близким является способ, предложенный в [2], в котором ведется прозвучивание массива шумовым стационарным сигналом, имеющим нормальное распределение со средним значением, равным нулю, и при приеме измеряют дисперсию этого сигнала и период автокорреляционной функции. Считают, что положение максимума зоны опорного давления соответствует точке массива с максимальной дисперсией и минимальным периодом автокорреляционной функции принятого сигнала.

К недостаткам следует отнести низкую чувствительность, т.к. этот способ интегральный и в нем оценивается дисперсия всего сигнала в целом. И, как следствие, он не способен различать мелкие разупрочнения, появляющиеся при различных нагрузках.

Заявленное решение направлено на повышение чувствительности контроля изменения напряженно-деформированного состояния горного массива.

Поставленная цель достигается тем, что в способе, заключающемся в прозвучивании участков массива сигналами, приеме сигналов, прошедших контролируемый участок горного массива, в качестве зондирующего сигнала используют серии, состоящие из нескольких пачек равномерных импульсов, дополнительно оценивают эксцесс каждой выборочной составляющей спектров сравниваемых сигналов, прошедших контролируемый участок массива в разные моменты времени, причем частота повторения серии импульсов определяется скоростью геомеханических процессов в массиве, а длительность импульсов в пачке и скважность назначают одинаковыми и выбирают исходя из детальности контроля, а о произошедших физических изменениях судят по формуле
Q<F_a[d,d(k-1)],
где

k - количество серий;





z_i ^m - разность значений оценок эксцесса до и после произошедших изменений на фиксированной i-ой составляющей спектра.

Сущность предложенного изобретения заключается в следующем.

На контролируемом участке горного массива устанавливают датчики, которые работают в режиме прозвучивания. В качестве зондирующего сигнала используют серии, состоящие из пачек импульсов. Приемные датчики, подключенные к электронной аппаратуре, принимают сигнал, прошедший контролируемый участок горного массива. Такой сигнал в своем спектре будет иметь особенности, т.е. характерные изменения параметров (например, амплитуд) отдельных гармоник. Через промежуток времени Т вновь излучают серии, состоящие из пачек импульсов, и снова в спектре принятого сигнала будем иметь свои особенности. Особенности каждого спектра отражают физическое состояние контролируемого горного массива. Для определения изменения физического состояния горного массива, произошедшего за время Т, необходимо сравнить полученные сигналы между собой. Непосредственное сравнение спектров сигналов не дает полной уверенности в правильности выбора решения ввиду недостаточной чувствительности.

Для определения того, произошли ли физические изменения в массиве за время Т, необходимо воспользоваться предлагаемым способом со следующей процедурой.

На начальном этапе для правильной оценки состояния горного массива необходимо выполнение некоторых условий. Во-первых, излучателем излучается v серий, состоящих из 2n пачек равномерных импульсов. Во-вторых, местоположение приемных датчиков или мощность излучателя выбирается такой, чтобы серии были приняты полностью, т.е. сколько излучено - столько и принято. Каждую серию разбивают на две группы, каждая из которых имеет объем, равный n. Затем определяют, например, значения амплитуд x_i1j ^v, x_i2j ^v, ..., x_inj ^v первой группы на i-ой частоте v-серии, где j - номер опыта, т.е. до ожидаемых изменений состояния горного массива, и значения амплитуд x_i(n+1)j ^v, x_i(n+2)j ^v, ..., x_i2nj ^v второй группы на i-ой частоте v-серии, j - то же, что и в первой серии. Найдем разницу значений амплитуд в этих группах, т.е.

Далее определяют оценку эксцесса на выбранной частоте v-ой серии:

где Т^* - статистика, определяемая как

Итак, по одной серии имеем одно значение оценки эксцесса амплитуд на выбранной частоте i.

Так как излучаются k серий до того момента, как произошли какие-либо изменения в горном массиве, то получаем k значений оценок эксцесса:

По истечении времени Т, за которое могут произойти физические изменения состояния горного массива, снова излучают k серий, состоящих из 2n пачек равномерных импульсов. На этих же самых выбранных частотах определяют оценку эксцесса. В этом случае получаем также k значений оценок эксцесса:

но в этом случае индекс ρ обозначает, что эти значения относятся к результатам измерения, проведенного после ожидаемых изменений напряженно-деформированного состояния в горном массиве.

Далее определяют разность:

О произошедших физических изменениях судят по неравенству
Q<F_α[d,d(k-1)], (1)
где






F_α - верхний α-предел F-распределения со степенями свободы d и d(k-1).

Если неравенство (1) выполняется, то за истекший период, т.е. от момента окончания k-ой серии опыта j до первой серии опыта ρ, никаких существенных изменений физического состояния горного массива не произошло.

Если же указанное неравенство не выполняется, то за истекший период произошли физические изменения состояния горного массива, которые могут быть зафиксированы неравенством (1) на уровне выбранного предела α.
Период повторения серий импульсов должен выбираться исходя из скорости геомеханических процессов в массиве. Чем выше скорость таких процессов, тем меньше период повторения серии, и наоборот. Это необходимо для отслеживания начала деформационных процессов в горном массиве на достаточно ранней стадии.

Длительность импульсов в пачках и скважность выбираются одинаковыми в сопоставляемых сериях и зависят от детальности контроля. Чем меньше контролируемый объем, тем более короче выбирается длительность импульсов и уменьшается скважность. Это необходимо для того, чтобы первый нуль функции огибающей спектра сместился в более высокочастотную область и появилась возможность (например, в приведенном случае) определять параметры спектральных составляющих, отличных от нуля.

Положительный эффект заключается в использовании дифференцированного подхода к контролю изменения напряженно-деформированного состояния горного массива, заключающемуся в том, что отслеживаются изменения отдельных выбранных параметров спектральных составляющих в спектрах принятых сигналов при прозвучивании контролируемых участков горного массива, определяются оценки эксцессов выбранных параметров различных серий и по полученным оценкам производят сопоставление и определение значимости отличия.

Литература
1. Патент РФ 2090905, G 01 V 1/00, 9/00, 1997, БИ 26.

2. Авт. cв-во СССР 1452984, Е 21 С 39/00, 1989, БИ 3.

Использование: в горной промышленности для контроля изменения состояния массива на более ранней стадии образования несплошностей, ведущих к динамическим проявлениям. Сущность: в качестве зондирующих импульсов используют серии, состоящие из пачек равномерных импульсов, дополнительно оценивают эксцесс каждой выборочной составляющей спектров сравниваемых сигналов, прошедших контролируемый участок массива, а о произошедших физических изменениях судят по приведенному неравенству. Технический результат: повышение чувствительности контроля напряженно-деформированного состояния горного массива. 2 з.п.ф-лы.

Способ контроля напряженно-деформированного состояния горного массива, заключающийся в прозвучивании массива сигналами, приеме сигналов, прошедших контролируемый участок горного массива, отличающийся тем, что в качестве зондирующего сигнала используют серии, состоящие из пачек равномерных импульсов, дополнительно оценивают эксцесс каждой выборочной составляющей спектров сравниваемых сигналов, прошедших контролируемый участок массива в разные моменты времени, а о произошедших физических изменениях судят по неравенству
Q<F_a[d, d(k-1)] ,
где k - количество серий;






z_i ^l - разность значений оценок эксцесса до и после контроля состояния массива i-ой фиксированной составляющей спектра;
F_а - верхний α-предел F-распределения со степенями свободы d и d(k-1).