Способ измерения скорости детонации взрывчатого вещества в скважине Российский патент 2024 года по МПК G01L5/14 G01P3/64 G01N33/22 

Изобретение относится к способам измерения и устройствам автоматизированного контроля параметров проведения буровзрывных работ, в том числе на карьерах, забоях и других объектах горной промышленности.

Известен способ измерения скорости детонации взрывчатого вещества в скважине, при выполнении которого в скважине размещают пьезоэлектрические датчики, соединенные кабелем между собой, подключают их к электронному измерительному устройству и заливают в скважину воду. Измерение скорости детонации заключается в том, что в процессе взрыва значение водного давления, считываемого пьезоэлектрическими датчиками, изменяется, а полученные данные об изменении давления преобразуются в скорость детонации на участках скважины, на которых установлены датчики, после чего полученные значения скорости усредняются [CN 107703323 A, 16.02.2018].

Недостатком известного технического решения является низкая точность измерения скорости детонации взрывчатого вещества в скважине, а также высокая сложность реализации способа. Сложность реализации заключается в том, что в предложенном техническом решении необходимо предварительно расположить в скважине систему датчиков, подключить их между собой и затем залить воду. В процессе реализации предложенного способа существует риск короткого замыкания при неправильном или неточном подключении, что приведет к выходу из строя всей системы датчиков, а также электронного измерительного устройства. При этом также необходимо грамотно и точно рассчитать предполагаемые места расположения датчиков перед их установкой, для чего необходимы достаточно большой практический опыт и знания в данной области техники. Таким образом сложность реализации способа возрастает. При этом шаг определения скорости также ограничен использованием датчиков в качестве измерительного прибора, т.к. для снижения шага между измерениями необходимо увеличивать число датчиков, что существенно повышает материалоемкость способа и также негативно сказывается на повышении сложности его реализации. Кроме того, определение скорости детонации посредством усреднения значений скорости повышает влияние дискретных ошибок и значительно снижает точность полученного результата измерений.

В качестве прототипа выбран способ измерения скорости детонации взрывчатого вещества, при выполнении которого в скважину закладывают коаксиальный кабель, подключенный к электронному устройству, а затем детонируют взрывчатое вещество, при этом одновременно с детонацией взрывчатого вещества устройством генерируются электрические импульсы, проходящие по кабелю и отражающиеся от его конца, и принимаются обратно. По мере сокращения длины кабеля в процессе детонации задержка между отправленным и отраженным импульсами сокращается, а полученные задержки в значениях скорости усредняются, на основании чего определяется скорость детонации взрывчатого вещества [AU 2016265975 A1, 15.06.2017].

Преимуществом прототипа перед известным техническим решением является сниженная материалоемкость способа, а также сравнительная простота его реализации за счет применения коаксиального кабеля ввиду чего исключается необходимость проведения предварительных расчетов мест расположения датчиков, а также снижается сложность обработки полученных данных.

Однако недостатком прототипа является низкая точность способа измерения скорости детонации взрывчатого вещества в скважине, обусловленная тем, что для получения значения скорости необходимо получить значение задержки между импульсами, а она сильно зависит от шумовой составляющей отраженного сигнала, и нестационарных условий отражения электрического импульса от конца кабеля, к тому же измерения проводятся дискретно, цифровыми методами. Это приводит к тому, что при оценке скорости детонации в полученных данных присутствует существенная флуктуационная и дискретная ошибки. При этом, в результате всего цикла измерения получается, как правило, несколько сотен отсчетов временных задержек. При этом в данной области техники существует необходимость измерения скорости детонации с относительно большим шагом, так, что в требуемый диапазон временных интервалов измерения скорости детонации попадают несколько десятков отсчетов данных. Полученные данные, как и в предыдущем техническом решении, обрабатываются посредством арифметического усреднения полученных значений скорости, тем самым существенно увеличивая влияние флуктуационных и дискретных ошибок на полученный результат и снижая таким образом точность способа измерения скорости детонации взрывчатого вещества и как следствие эффективность способа.

Техническая проблема, на решение которой направлено изобретение, заключается в необходимости повышения эффективности способа измерения скорости детонации взрывчатого вещества в скважине.

Технический результат, на достижение которого направлено изобретение, заключается в повышении точности способа измерения скорости детонации взрывчатого вещества за счет снижения влияния флуктуационных и дискретных ошибок на результаты измерений.

Дополнительный технический результат, на достижение которого направлено изобретение, заключается в снижении материалоемкости способа измерения скорости детонации взрывчатого вещества в скважине.

Дополнительный технический результат, на достижение которого направлено изобретение, заключается в упрощении способа измерения скорости детонации взрывчатого вещества в скважине.

Сущность изобретения заключается в следующем.

Способ измерения скорости детонации взрывчатого вещества в скважине включает использование коаксиального кабеля, подключенного к электронному измерительному устройству, посредством которого: в процессе детонации взрывчатого вещества получают последовательность временных задержек распространения сигнала в кабеле, а посредством электронного вычислительного устройства:

- измеряют, путем вычисления, скорость детонации взрывчатого вещества, для чего:

- полученную последовательность временных задержек распространения сигнала в кабеле пересчитывают в последовательность длин кабеля;

- осуществляют полиномиальную аппроксимацию полученной последовательности длин кабеля, на основе которой получают коэффициенты аппроксимирующего полинома;

- по полученным коэффициентам полинома строят аппроксимирующую функцию;

- полученную аппроксимирующую функцию разбивают на необходимое количество отрезков измерения;

- получают среднюю величину скорости детонации для каждого отрезка аппроксимирующей функции;

- на основе полученных величин скоростей детонации строят функцию скорости детонации взрывчатого вещества.

Коаксиальный кабель обеспечивает снижение материалоемкости способа за счет отсутствия необходимости использования уникальных и дорогостоящих кабельных систем, датчиков или иных устройств, созданных специально под данную задачу. При этом использование данного кабеля исключает необходимость сложной и многоступенчатой подготовки скважины за счет того, что его достаточно подключить к электронному измерительному устройству и расположить в скважине. Тем самым также оптимизируется и упрощается способ измерения скорости детонации взрывчатого вещества.

Электронное измерительное устройство обеспечивает возможность получения последовательности временных задержек распространения сигнала в кабеле в процессе детонации взрывчатого вещества, а электронное вычислительное устройство обеспечивает последующую обработку данных. Электронное вычислительное устройство может быть реализовано в виде персонального компьютера (ПК) или иного устройства, например удаленного сервера. При этом измерительное устройство может быть представлено в виде устройства, включающего управляющее устройство, к которому подключен передатчик и время-цифровой преобразователь, к которому в свою очередь подключен приемник. При этом, электронное измерительное и вычислительное устройства могут быть реализованы в виде одного устройства или представлены совокупностью устройств.

Последовательность временных задержек распространения сигнала в кабеле могут получать непосредственно в процессе детонации, а последующую обработку данных могут осуществлять после завершения детонации. При этом последующая обработка может быть выполнена при помощи ПК.

Временная задержка представляет собой интервал между отправленным и принятым электрическими импульсами. Для определения временных задержек микроконтроллер имеет возможность передачи электрических импульсов в кабель в процессе детонации.

Полиномиальная аппроксимация - это один из методов математической обработки массива данных. При этом преимущественно полиномиальная аппроксимация может быть реализована методом наименьших квадратов. На основе полиномиальной аппроксимации получают коэффициенты полиномиальной аппроксимации, по которым строят аппроксимирующую функцию. Коэффициенты полиномиальной аппроксимации могут быть получены любыми известными математическими методами решения. При этом преимущественно коэффициенты полиномиальной аппроксимации могут быть получены методом Гаусса.

Изобретение может быть выполнено из известных материалов с помощью известных средств, что свидетельствует о его соответствии критерию патентоспособности «промышленная применимость».

Изобретение характеризуется ранее неизвестной из уровня техники совокупностью существенных признаков, позволяющей реализовать предложенный способ измерения скорости детонации взрывчатого вещества.

Совокупность существенных признаков изобретения позволяет компенсировать влияние шума во время распространения электрических импульсов по кабелю, а также упрощает анализ и обработку массива данных, полученного в процессе измерения. При этом создается возможность увеличения шага между измерениями, за счет чего обеспечивается возможность усреднения полученных данных, тем самым снижая статистическую, дискретную и флуктуационную ошибки измерения скорости детонации взрывчатого вещества в скважине.

Благодаря этому обеспечивается достижение технического результата, заключающегося в повышении точности способа измерения скорости детонации взрывчатого вещества за счет снижения влияния флуктуационных и дискретных ошибок на результаты измерений, тем самым повышая эффективность способа измерения скорости детонации взрывчатого вещества в скважине.

Изобретение обладает ранее неизвестной из уровня техники совокупностью существенных признаков, что свидетельствует о его соответствии критерию патентоспособности «новизна».

Из уровня техники известны способы измерения скорости детонации взрывчатого вещества в скважине включающие использование электронного вычислительного устройства и коаксиального кабеля.

Однако из уровня техники не известен способ измерения скорости детонации взрывчатого вещества в скважине, при выполнении которого в электронном вычислительном устройстве применяют усредняющий фильтр, основанный на полиномиальной аппроксимации полученных временных задержек, что позволяет устранить дискретную ошибку и уменьшить влияние флуктуационной ошибки на результаты измерения скорости детонации взрывчатого вещества в скважине

Ввиду этого изобретение соответствует критерию патентоспособности «изобретательский уровень».

Изобретение поясняется следующими фигурами:

фиг. 1 - схематичное изображение зарядной скважины, с размещенным в ней коаксиальным кабелем, подключенным к электронному измерительному устройству;

фиг. 2 - структурная схема электронного измерительного устройства для измерения скорости детонации взрывчатого вещества;

фиг. 3а-в - схематичные изображения изменения длины коаксиального кабеля в процессе детонации взрывчатого вещества в скважине;

фиг. 4 - алгоритм способа измерения скорости детонации взрывчатого вещества.

Для иллюстрации возможности реализации и более полного понимания сути изобретения ниже представлен вариант его осуществления, который может быть любым образом изменен или дополнен, при этом настоящее изобретение ни в коем случае не ограничивается представленным вариантом.

В качестве устройства для измерения скорости детонации взрывчатого вещества представлено измерительное устройство 100, включающее передатчик 102, приемник 104, управляющее устройство 106 и время-цифровой преобразователь 108, при этом к управляющему устройству 106 подключен персональный компьютер (ПК) 110, на котором обрабатываются и выводятся данные о величине скорости детонации взрывчатого вещества. При этом к измерительному устройству 100 подключен коаксиальный кабель 200.

Способ измерения скорости детонации взрывчатого вещества в скважине осуществляют следующим образом.

Перед проведением буровзрывных работ один конец коаксиального кабеля 200 закладывают в зарядную скважину.

Затем детонируют взрывчатое вещество (ВВ), в процессе взрыва которого область детонации перемещается снизу вверх вдоль длины кабеля 200, расположенного в вертикальной зарядной скважине, тем самым постепенно разрушая и уменьшая его длину как показано на фиг. 3а, 3б, 3в.

На этапе 300 определяют временные задержки распространения сигнала в кабеле 200 в процессе детонации ВВ. Данный процесс осуществляется благодаря нижеописанным физическому явлению и алгоритму работы измерительного устройства 100.

Одновременно с процессом детонации ВВ, измерительное устройство 100 с определенной периодичностью генерирует импульсы необходимой длительности, управляя передатчиком 102. Передатчик 102 формирует и передает в кабель 200 зондирующие импульсы. Эти импульсы поступают так же и на приемник 104, который под воздействием зондирующих импульсов формирует на выходе логический сигнал, запускающий время-цифровой преобразователь 108. Электрический импульс в кабеле 200 отражается от неоднородности на конце кабеля 200, тем самым возвращая сигнал на вход приемника 104 с определенной задержкой. Отраженный импульс принимается приемником 104, который под его воздействием формирует логический сигнал на выходе, останавливающий время-цифровой преобразователь 108. Затем время-цифровой преобразователь 108 передает данные об измеренном времени задержки в управляющее устройство 106.

Поскольку скорость распространения электрического импульса в кабеле 200 известна, задержка распространения может быть однозначно пересчитана в его длину, что обеспечивает возможность управляющему устройству 106 накапливать необходимый объем данных и сохранять их на внутреннем цифровом носителе. После этого данные обрабатываются при помощи ПК 110.

На этапе 400 измеренные временные задержки преобразуют в соответствующие им длины L_i кабеля 200 в зависимости от прошедшего времени посредством следующего выражения:

v - скорость распространения электрического импульса в кабеле 200;

Δτ_i - измеренная временная задержка распространения сигнала в кабеле 200.

На этапе 500 осуществляют полиномиальную аппроксимацию полученной на этапе 400 последовательности длин кабеля 200 методом наименьших квадратов, для чего решают следующую систему линейных уравнений:

Методом Гаусса рассчитывают коэффициенты уравнения полинома c_i, аппроксимирующего функцию длин L_i(t), размерностью [1…m]. Причем порядок полинома n аппроксимации выбирают как N/2, где N - число длин кабеля 200, для которых требуется оценить скорость детонации.

На этапе 600, по полученным на этапе 500 коэффициентам полинома c_i строят следующую аппроксимирующую функцию A_i(t):

Затем, данную аппроксимирующую функцию разбивают на N участков, в соответствии с длинами кабеля 200, на которых необходимо оценить скорость детонации.

На этапе 700 проводят построение функции V_D(N), характеризующей скорость детонации ВВ, для чего для каждого участка полученной аппроксимирующей функции, рассчитывают скорость детонации используя при этом следующее выражение:

k - число отсчетов измеренных длин кабеля 200 в интервале оценки скорости;

Т - период следования зондирующих импульсов.

На этапе 800 на основе построенной функции измеряют скорость детонации ВВ на интересующих диапазонах глубин скважины. Предложенный способ измерения скорости детонации взрывчатого вещества благодаря примененному в вычислительном устройстве усредняющему фильтру на основе полиномиальной аппроксимации позволяет уменьшить влияние флуктуационных и дискретных ошибок и тем самым снизить риск возможных отклонений в результатах измерения скорости детонации взрывчатого вещества.

Таким образом обеспечивается достижение технического результата, заключающегося в повышении точности способа измерения скорости детонации взрывчатого вещества за счет снижения влияния флуктуационных и дискретных ошибок на результаты измерений, тем самым повышается эффективность способа измерения скорости детонации взрывчатого вещества в скважине.

Изобретение относится к способам измерения и устройствам автоматизированного контроля параметров проведения буровзрывных работ, в том числе на карьерах, забоях и других объектах горной промышленности. Способ измерения скорости детонации взрывчатого вещества в скважине включает использование коаксиального кабеля, подключенного к электронному измерительному устройству, посредством которого в процессе детонации взрывчатого вещества получают последовательность временных задержек распространения сигнала в кабеле, а посредством электронного вычислительного устройства измеряют, путем вычисления, скорость детонации взрывчатого вещества. При обработке полученных данных электронным вычислительным устройством применяют полиномиальную аппроксимацию с получением коэффициентов полинома, представляющего собой аппроксимирующую функцию для измерения величины скорости детонации. Технический результат заключается в повышении точности способа измерения скорости детонации взрывчатого вещества электронным вычислительным устройством за счет снижения влияния флуктуационных и дискретных ошибок на результаты измерений. 3 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Способ измерения скорости детонации взрывчатого вещества в скважине, включающий использование коаксиального кабеля, подключенного к электронному измерительному устройству, посредством которого в процессе детонации взрывчатого вещества получают последовательность временных задержек распространения сигнала в кабеле, а посредством электронного вычислительного устройства:

- измеряют, путем вычисления, скорость детонации взрывчатого вещества, для чего:

- полученную последовательность временных задержек распространения сигнала в кабеле пересчитывают в последовательность длин кабеля;

- осуществляют полиномиальную аппроксимацию полученной последовательности длин кабеля, на основе которой получают коэффициенты аппроксимирующего полинома;

- по полученным коэффициентам полинома строят аппроксимирующую функцию;

- полученную аппроксимирующую функцию разбивают на необходимое количество отрезков измерения;

- получают среднюю величину скорости детонации для каждого отрезка аппроксимирующей функции;

- на основе полученных величин скоростей детонации строят функцию скорости детонации взрывчатого вещества.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что используемое электронное измерительное устройство представлено в виде устройства, включающего управляющее устройство, к которому подключен передатчик и время-цифровой преобразователь, к которому подключен приемник.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что полиномиальную аппроксимацию полученной последовательности длин кабеля осуществляют методом наименьших квадратов.

4. Способ по п.3, отличающийся тем, что коэффициенты полиномиальной аппроксимации полученной последовательности длин кабеля вычисляют методом Гаусса.