СПОСОБ ПРОГНОЗА РАЗРУШЕНИЯ МАССИВА ГОРНЫХ ПОРОД ПО ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ЭМИССИИ Российский патент 2022 года по МПК E21C39/00 G01N29/00 

Изобретение может быть использовано в горной промышленности для контроля разрушения участков массива горных пород при изменении их напряженно-деформированного состояния.

Известен способ определения удароопасности массива горных пород по электромагнитной эмиссии по патенту RU 2535329 C1, 10.12.2014, МПК E21C 39/00, включающий измерение в выработке максимальных амплитуды и активности электромагнитного излучения (ЭМИ) на порогах регистрации выше уровня фона ЭМИ, определение критической величины активности ЭМИ и оценку удароопасности контролируемой выработки, причем пороги регистрации ЭМИ выбирают в зависимости от максимальной и фоновой амплитуд импульсов ЭМИ, где за нулевой отсчет амплитуд ЭМИ принимают пороговый уровень фонового излучения, в диапазоне амплитуд от нулевого отсчета до максимального вычисляют параметр A как логарифмическое среднее распределения пиковых амплитуд импульсов, затем все значения амплитуд указанного диапазона разбивают на 10 неравных порогов в логарифмической прогрессии с шагом, кратным log², строят гистограмму распределения сигналов в двойных логарифмических координатах, на основе этой гистограммы рассчитывают параметр В как оценку скорости нарастания пиковых амплитуд импульсов выше порогового уровня, строят графики зависимостей значений параметров A(xi) и B(xi) от положения точки наблюдения xi на профиле выработки, а также графики градиентов функций этих параметров, устанавливают критические величины параметров Акр и Вкр и их суммарную критическую скорость изменения, а удароопасными считают те участки, в которых одновременно выполняются хотя бы три из четырех неравенств:

A(xi)>Акр,

B(xi)<Вкр,

[(A(xi)-A(xi-1))/(xi-xi-1)]*[(B(xi)-B(xi-1))/(xi-xi-)]<{[dA/dx]*[dB/dx]}кр,

[(A(xi+1)-A(xi))/(xi+1-xi)]*[(B(xi+1)-B(xi))/(xi+1-xi)]<{[dA/dx]*[dB/dx]}кр,

где A(xi) и B(xi) - значения параметров A и B в точке наблюдения xi;

Акр и Вкр - критические величины параметров A и B;

A(xi-1) и B(xi-1) - значения параметров A и B в предыдущей точке наблюдения по отношению к точке xi;

A(xi+1) и B(xi+1) - значения параметров A и B в последующей точке наблюдения по отношению к точке xi;

{[dA/dx]*[dB/dx]}кр - значения суммарной критической скорости изменения параметров A и B в соседних точках наблюдения.

Недостатком известного способа, является то, что данный способ не позволяет определять частотную составляющую сигнала электромагнитного излучения горных пород которая изменяет свои значения и является важным признаком процесса разрушения массива горных пород. Измерение в выработке максимальных амплитуд и активности электромагнитного излучения (ЭМИ) на порогах регистрации выше уровня фона ЭМИ делает невозможным использование способа в горных выработках с работающим электрооборудованием, которое значительно увеличивает фон ЭМИ за счет электромагнитных наводок на измерительное оборудование.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности и совокупности существенных признаков является способ прогноза разрушения массива горных пород (патент RU 2244126 C1, 10.01.2005, МПК E21C39/00), включающий регистрацию во времени сигналов электромагнитного излучения (ЭМИ), измерение их амплитуд и длительностей от начала нагружения и построение по результатам измерений спектрально-временной матрицы спектральных амплитуд сигналов ЭМИ по мере роста частоты и времени, при этом на указанной матрице выделяют частотные поддиапазоны по мере роста частот, в каждом из которых отмечают равные спектральные амплитуды сигналов ЭМИ, обводят замкнутой линией занимаемую ими площадь и определяют ее размеры, затем определяют соотношение размеров площади Sn n-го частотного поддиапазона (n=2,3,4,…) к площади S1 первого частотного поддиапазона и по увеличению соотношений этих площадей судят о начале интенсивного возникновения трещин, причем критическим соотношением, при котором происходит переход от процесса интенсивного возникновения и нарастания трещин к началу разделения сплошности массива горных пород, считают соотношение Sn=(2÷4)S1, по которому прогнозируют дробление площадей на указанной матрице в более высоких частотных поддиапазонах, характеризующее разрушение массива горных пород.

Недостатком известного способа, является отсутствие возможности определить точное месторасположение возникающего разрушения в массиве горных пород, а также объема разрушающейся горной массы и характера ее разрушения, т.к. с удалением от зоны разрушения горных пород амплитуда сигнала ЭМИ значительно падает и не представляется возможным получить достоверные данные об амплитуде сигнала ЭМИ.

Задача (технический результат) предлагаемого изобретения заключается в создании способа, повышающего точность и достоверность прогноза разрушения горных пород.

Поставленная задача решается тем, что измерения производят одновременно на множестве точек наблюдения вдоль профиля контролируемой горной выработки, производят регистрацию сигналов ЭМИ, измеряют их амплитуды и определяют спектральную частоту сигнала. На основании полученных данных определяют протяженность участков, на которых амплитуда сигнала ЭМИ превышает амплитудное значение фонового уровня в пять и более раз, а также в спектре сигнала присутствуют частоты свыше 800 кГц. Причем, подверженными разрушению считают участки, протяженность которых составляет более 60 метров.

Определение участков горных пород, подверженных разрушению, не только по амплитудной, но и по частотной составляющей сигнала, а также их комбинации позволит повысить точность прогноза динамических проявлений горного давления в виде разрушения массива горных пород и повысить безопасность ведения горных работ. Кроме того, предлагаемый способ позволяет определить место расположения возникающего разрушения в массиве горных пород, а также объем разрушающейся горной массы и характер его разрушения.

Регистрация сигнала электромагнитной эмиссии с частотами свыше 800 кГц, свойственного для зарождения микротрещин или фазы, предшествующей разрушению массива горных пород, является дополнительным признаком, повышающим точность метода и исключающим ошибки метода.

Регистрация амплитуды ЭМИ в абсолютных единицах измерения позволяет оценивать сигнал, регистрируемый от массива горных пород, независимо от фонового уровня ЭМИ, который увеличивается при работе электрооборудования, что позволит применять предложенный способ в горных выработках при работе большого количества электрического оборудования, например, в очистном забое.

Протяженность опасного участка позволяет точно определить место расположения возникающего разрушения в массиве горных пород и степень опасности разрушения, что позволяет не останавливать горные работы в местах, где имеются незначительные нарушения в массиве горных пород.

Предлагаемый способ прогноза разрушения массива горных пород по электромагнитной эмиссии осуществляют следующим образом.

Вдоль горной выработки задают контролируемый участок и устанавливают на нем приборы, например, датчики, для измерения сигналов ЭМИ. Включают приборы для измерения сигналов ЭМИ и осуществляют непрерывную регистрацию сигналов ЭМИ, измеряют их амплитуду и определяют спектральную частоту сигнала. Определяют протяженность зон контролируемого участка, на которых амплитуда сигнала ЭМИ превышает амплитудное значение фонового уровня в пять и более раз, а в спектре сигнала присутствуют частоты свыше 800 кГц. Подверженными разрушению считают зоны контролируемого участка, протяженность которых составляет более 60 м. Протяженность зон контролируемого участка могут определять по расстоянию между приборами для измерения сигналов ЭМИ, по специально установленным вдоль контролируемого участка меткам или другим способом.

Экспериментально установлено, что зоны контролируемого участка с заявляемыми параметрами не опасны, если их протяженность составляет до 30 метров. При протяженности от 30 до 60 метров возможны незначительные проявления разрушения массива горных пород, которые также еще не представляют реальной опасности разрушения. Протяженность более 60 метров указывает на высокую вероятность разрушения массива горных пород и требует принятия экстренных мер.

Предлагаемое изобретение поясняется чертежом, где представлен продольный вид контролируемого участка горной выработки в разрезе.

Данная фигура поясняет примеры конкретной реализации заявляемого способа, подтверждающие его промышленную применимость.

Измерения производят одновременно на множестве точек наблюдения вдоль профиля контролируемой горной выработки (на фиг. обозначенные звездочками и обозначенные номерами 1-5), измеряют их амплитуды и определяют спектральную частоту сигнала.

На основании полученных данных определяют протяженность участков, на которых амплитуда сигнала ЭМИ превышает амплитудное значение фонового уровня в пять и более раз, а также в спектре сигнала присутствуют частоты свыше 800 кГц, что свидетельствует о возникновении трещины в массиве горных пород.

Чем больше протяженность трещины (на фиг. обозначенные номерами 6-8) в массиве горных пород, тем больший объем горной массы подвержен разрушению.

Зарождение короткой трещины, обозначенной цифрой 6, фиксируется датчиками ЭМИ на протяжении не более 30 метров. Такая трещина на конкретном примере может быть зафиксирована датчиком №5, для соседних датчиков №4 и №7 значения сигналов ЭМИ останутся неизменными.

Зарождение средней трещины, обозначенной цифрой 7, фиксируется датчиками ЭМИ на протяжении не более 60 метров. Такая трещина на конкретном примере может быть зафиксирована датчиками №2, 3, 4, причем на датчике №3 значение сигналов ЭМИ будут максимальными, а для датчиков №2, 4 значение сигналов ЭМИ будут значительно ниже, чем для датчика №3, для соседних датчиков №1 и №7 значения сигналов ЭМИ останутся неизменными.

В этом случае точки, в которых зарегистрированы максимальные значения амплитуды сигнала ЭМИ, указывают на расположение центра разрушения массива горных пород. А по протяженности участка можно определить объем подверженной разрушению горной массы. Это свидетельствует о том, что разрушению подвержен больший объем массы горных пород, но это не является опасным.

Зарождение протяженной трещины, обозначенной цифрой 8, фиксируется датчиками ЭМИ на протяжении более 60 метров. Такая трещина на конкретном примере может быть зафиксирована датчиками №1, 2, 3, 4, 5, причем на датчике №3 значение сигналов ЭМИ будут максимальными, для датчиков №2, 4 значение сигналов ЭМИ будут близки к максимальным, но ниже чем для датчика №3, для соседних датчиков №1 и №7 значения сигналов ЭМИ будут значительно ниже чем для датчиков № 2,3,4.

В этом случае точки, в которых зарегистрированы максимальные значения амплитуды сигнала ЭМИ, указывают на то, что процесс разрушения начинается на протяженном участке и это уже не образование локальной трещины, а объединение нескольких трещин в одну протяженную. И по протяженности этого участка можно определить объем подверженной разрушению горной массы. Это свидетельствует о том, что разрушению подвержен больший объем массы горных пород, и он является опасным, требуется принятие экстренных мер.

На основании предложенного способа, подверженными разрушению считают участки, протяженность которых составляет более 60 метров.

Предлагаемый способ позволяет повысить точность прогноза динамических проявлений горного давления в виде разрушения массива горных пород, определить место, подверженное разрушению, и оценить вероятный объем разрушающейся горной массы, а также повысить безопасность ведения горных работ.

Изобретение может быть использовано в горной промышленности для контроля разрушения участков массива горных пород при изменении их напряженно-деформированного состояния. Способ заключается в том, что регистрируют во времени сигналы электромагнитного излучения (ЭМИ), измеряют их амплитуды и определяют спектральную частоту сигнала, находят участки массива, подверженные разрушению. Сигналы ЭМИ измеряют вдоль горной выработки одновременно на всем контролируемом участке. Дополнительно определяют протяженность участков, на которых амплитуда сигнала ЭМИ превышает амплитудное значение фонового уровня в пять и более раз и в спектре сигнала присутствуют частоты свыше 800 кГц. Подверженными разрушению считают зоны контролируемого участка, протяженность которых составляет более 60 м. Техническим результатом является повышение точности и достоверности прогноза разрушения горных пород. 1 ил.

Способ прогноза разрушения массива горных пород по электромагнитной эмиссии, включающий регистрацию во времени сигналов электромагнитного излучения (ЭМИ), измерение их амплитуды и определение спектральной частоты сигнала и нахождение участков массива, подверженных разрушению, отличающийся тем, что измерение сигналов ЭМИ осуществляют вдоль горной выработки одновременно на всем контролируемом участке, дополнительно определяют протяжённость участков, на которых амплитуда сигнала ЭМИ превышает амплитудное значение фонового уровня в пять и более раз и в спектре сигнала присутствуют частоты свыше 800 кГц, причем подверженными разрушению считают зоны контролируемого участка, протяженность которых составляет более 60 м.