СПОСОБ КОНТРОЛЯ ИЗМЕНЕНИЯ ТРЕЩИНОВАТОСТИ В МАССИВЕ ГОРНЫХ ПОРОД Российский патент 2013 года по МПК G01V1/00 

Изобретение относится к геофизике и может быть использовано в горной промышленности для исследования и обеспечения контроля зарождающихся процессов разупрочнения горного массива, ведущих к динамическим проявлениям.

Известен [1] способ, 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.

Более близким является способ [2] контроля изменения напряженного состояния горного массива, в котором ведут прозвучивание участков массива сигналами, использующими серию из нескольких пачек равномерных импульсов, оценивают дисперсию составляющих спектра сигнала и по их изменению в последующих сериях судят об изменении напряженного состояния горного массива в целом.

К недостаткам следует отнести сложность реализации и низкую достоверность, т.к., во-первых, при смене промежутка между гармониками определение значений амплитуд гармоник не может однозначно показать произошедшие изменения; во-вторых, спектр таких сигналов весьма сложен, и выделить составляющие гармоник является непростой задачей, что не позволяет вести контроль в реальном времени.

Заявленное решение направлено на повышение достоверности и упрощение контроля изменения трещиноватости в массиве горных пород для возможности ведения контроля в реальном времени.

Поставленная цель достигается тем, что в известном способе, заключающемся в прозвучивании массива сигналами, приеме сигналов, прошедших контролируемый участок горных пород, в качестве зондирующего сигнала используют серии отдельных одиночных прямоугольных импульсов, дополнительно оценивают положение первого нуля функции огибающей спектральной плотности мощности для каждого принятого импульса в разные моменты времени для каждой трассы, причем период повторения серий определяется скоростью геомеханических процессов в массиве горных пород, и длительность импульсов в сериях назначается одинаковой, а о произошедших изменениях трещиноватости вдоль выбранной трассы судят по неравенству:

где F_α - верхний предел; α - уровень значности;

где ω_0i - значение первого нуля функции огибающей спектральной плотности мощности принятого сигнала i-й серии выбранной трассы,

- среднее значение i-й серии выбранной трассы,

ω_0i+k - значение первого нуля функции огибающей спектральной плотности мощности принятого сигнала i+k-й серии выбранной трассы,

- среднее значение i+k-й серии выбранной трассы.

Сущность предложенного изобретения заключается в следующем.

На контролируемом участке горного массива устанавливают датчики, которые работают в режиме прозвучивания (излучающий датчик и приемные). В качестве зондирующего сигнала используют отдельные одиночные прямоугольные импульсы. Приемные датчики, подключенные к приемной аппаратуре, принимают сигнал, прошедший контролируемый участок горного массива. Такой сигнал в своем спектре будет иметь особенности, т.е. характерные изменения параметров спектральной плотности. При каждом приеме импульса определяют положение первого нуля функции огибающей спектральной плотности мощности принятого сигнала ω_0i.

Через промежуток времени t вновь излучают прямоугольный импульс и снова определяют положение первого нуля функции огибающей спектральной плотности мощности принятого сигнала ω₀. И также снова в спектре принятого сигнала будут свои особенности. Особенности каждого такого спектра отражают физико-механическое состояние контролируемого участка массива горных пород, в том числе и изменение трещиноватости. Непосредственное сравнение спектров не дает полной уверенности в правильности выбора решения, ввиду недостаточной чувствительности и громоздкости.

Для определения изменения трещиноватости контролируемого участка в массиве горных пород за время t необходимо воспользоваться предлагаемым способом со следующей процедурой.

Во-первых, необходимо, чтобы все излученные импульсы были приняты приемным датчиком, находящимся вдоль трассы контролируемого участка.

Во-вторых, длина трасс, по которым проходит импульс, должна находиться в следующем соответствии Z₁<Z₂<Z₃…Z₁, где Z_i=V(τ_i+τ), V - скорость распространения импульса в контролируемой среде, τ_i - время прохождения импульса от излучателя I_s до i-го приемного датчика D_i, τ - длительность принятого импульса.

При излучении излучателем I_s импульса в момент времени t=0 все приемные датчики принимают сигнал, значит s можно записать матрицу начального состояния Ω°

где - значение первого нуля функции огибающей спектральной плотности мощности принятого сигнала; - номер принятого импульса; - номер трассы; t - время.

По истечении времени t₁ снова излучают и принимают импульсы по l трассам, и снова получим матрицу состояния Ω¹

По истечении времени t₂ получаем матрицу состояния Ω²; по истечении времени t₃ - Ω³ и т.д. В результате получаем матрицу Ω_ch изменения состояния контролируемого участка горного массива, т.к. в ней записаны все матрицы состояния Ω⁰, Ω¹, Ω³, … и т.д., т.е. все матрицы состояния в контролируемые моменты времени 0, 1, 2, 3…Т.

А для определения физических изменений, т.е. изменений трещиноватости контролируемого участка горного массива, необходимо сравнить в выбранных матрицах состояния соответствующие строки:

где F_α - верхний α предел F распределения со степенями свободы f_i и .

Например, для определения изменения физико-механических свойств, в том числе трещиноватости, от момента времени t₃ до момента времени t₅, необходимо подставить в неравенство (1) соответствующие строки матрицы изменения состояния Ω³ и Ω⁵.

При выполнении неравенства (1) никаких существенных физико-механических изменений, в том числе изменение трещиноватости, на контролируемом участке массива горных пород не произошло. Если же указанное неравенство не выполняется хотя бы на одной трассе, то за истекший период произошли изменения трещиноватости на контролируемом участке МГП, которые могут быть зафиксированы неравенством (1) при выбранном уровне значности α.

Период повторения t_i излучения импульсов должен выбираться исходя из скорости геомеханических процессов в контролируемом массиве. Чем выше скорость таких процессов, тем меньше период повторения t_i, и наоборот. Необходимость этого объясняется тем, что отслеживание изменения трещиноватости на ранней стадии существенно поможет выбрать прогностические характеристики для прогноза разрушения горного массива.

Длительность излучаемых импульсов выбирается одинаковой в сопоставляемых сериях и зависит от детальности контроля.

Положительный эффект заключается в использовании дифференциального подхода к определению изменения трещиноватости в массиве, т.к. контролируемый участок горного массива разбит на трассы и изменение трещиноватости хотя бы в объеме одной трассы указывает на нарушение сплошности в контролируемом объеме МГП. А уменьшение сложности технических средств (нет необходимости выделять спектральные составляющие в сложном спектре) позволяет вести контроль изменения трещиноватости в горном массиве в реальном времени.

ЛИТЕРАТУРА

1. Авт.св. СССР №1452984, 1989, БИ №3.

2. Патент РФ №2191411 от 20.10.02, БИ №29.

Изобретение относится к области геофизики и может быть использовано для контроля изменения трещиноватости в массиве горных пород. Сущность: прозвучивают массив горных пород зондирующими сигналами в виде серий отдельных одиночных прямоугольных импульсов. Оценивают положение первого нуля функции огибающей спектральной плотности мощности принятого одиночного прямоугольного импульса. Используя данный параметр, судят о произошедших изменениях трещиноватости вдоль выбранной трассы. Технический результат: повышение достоверности и упрощение контроля, возможность ведения контроля в реальном времени. 2 з.п. ф-лы.

1. Способ контроля изменения трещиноватости в массиве горных пород, заключающийся в прозвучивании массива сигналами, приеме сигналов, прошедших контролируемый участок массива горных пород, отличающийся тем, что в качестве зондирующего сигнала используют серии отдельных одиночных прямоугольных импульсов, дополнительно оценивают положение первого нуля функции огибающей спектральной плотности мощности принятого одиночного прямоугольного импульса, а о произошедших изменениях трещиноватости вдоль выбранной трассы судят по неравенству P_i(i+k)<F_α(f_i, f_i+k), где F_α - верхний предел; α - уровень значности;
f_i=d_i(n_i-1); f_i+k=d_i+k(n_i+k+1);
d_i=[1+(1-1/n_i)γ_i/2]^-1; d_i+k=[1+(1-1/n_i+k)γ_i+k/2]^-1;
γ_i=(n_i-2)B_i-3; γ_i+k=(n_i+k-2)B_i+k-3;



где ω_0i - значение первого нуля функции огибающей спектральной плотности мощности принятого сигнала i-й серии выбранной трассы,
- среднее значение i-й серии выбранной трассы,
ω_0i+k - значение первого нуля функции огибающей спектральной плотности мощности принятого сигнала i+k-й серии выбранной трассы,
- среднее значение i+k-й серии выбранной трассы.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что период повторения серий определяется скоростью геомеханических процессов в массиве горных пород.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что длительность импульсов в сериях назначается одинаковой и выбираются, исходя из детальности контроля.