Устройство для оценки изменения напряженного состояния массива горных пород Советский патент 1984 года по МПК G01V1/24 

Изобретение относится к горной промышленности и может быть использовано на рудных и нерудных месторождениях для оценки изменения напряженного состояния массива на глубоких подземных горных предприятиях, в том числе опасных по динамическим проявлениям и исследования процессов, характеризующих возникновение и развитие землетрясений в горном массиве. Известно устройство для определения времени распространения упругих волн в горных породах, которое позволяет определять время распространения в горных породах одновременно продольных и поперечных волн и включает первичные сейсмопреобразователи контроля продольной и поперечной составляющей сейсмической волны, соединенные .и усилителями-формирователями и блоками измерения временных интервалов. Указателем измеренного времени служит стрелочный прибор 1. Однако данное устройство не позволяет автоматически определять отношение скоростей продольной и поперечной составляющей и проводить в автоматическом режиме оценку изменения напряженного состояния как Б точке измерения, так и в пространстве 5 горного массива. Наиболее близким к предлагаемому техническим решением является устройство для оценки напряженного состояния массива горных пород, содержащее первичные трехкомпонентные сейсмопреобразователи Tr4ClViyr K,irT/ LH::ilJTlJI Iti/ С1ТЛЛ ПЯ/ Г1Г й/ ГЧГ ОО/ ОО Tii П ТЛ контроля продольной и поперечной составляющих сейсмической волны, последовательно соединенные с усилителями формирователями, блоками измерения временных интервалов, блоками отнощений продольной и поперечной составляющих сейсмической волны, цифровым векторным анализатором системой регистрации данных, при этом входы блоков автоматического управления соединены с управляющими входами блока измерения временных интервалов, входом цифрового векторного анализатора, входом системы регистрации данных и входом системы ударного сейсмического возбуждения. Данное устройство позволяет автоматически определять отнощение скоростей продольнои и поперечной составляющих и проводить в автоматическом режиме оценку напряженного состояния как в точке измерения, так и в пространстве горного массива и проводить анализ напряженного состояния массива горных пород, т. е. определение направления результирующей вектора в измеряемом пространстве 2. Однако указанное устройство не предназначено для измерения напряженного состояния массива горных пород при динамическом нагружении. Целью изобретения является повышение точности оценки. 20 Указанная цель достигается тем, что устройство для оценки изменения напряженного состояния массива горных пород, содержащее первичные трехкомпонентные сейсмопреобразователи контроля продольной и поперечной составляющей сейсмической волны, последовательно соединенные с усилителями-формирователями, блоками измерения временных интервалов, блоками отношений продольной и поперечной составляющих сейсмической волны, цифровым векторным анализатором, системой регистрации данных, при этом входы блоков автоматического управления соединены с управляющими входами блока измерения временных интервалов, входом цифрового векторного анализатора, входом системы регистрации данных и входом системы ударного сейсмического возбуждения, снабжено системой вибрационного возбуждения массива, блоком синхронизации систем вибрационного и ударного возбуждения, блоком временной селекции, многоканальным коммутатором каналов, многоканальным электронным осциллографом, причем входымногоканального коммутатора каналов подсоединены к каждому выходу усилителей-формироватеjjgfl продольной и поперечной составляющих сеисмическои волны, а выход его соединен с-входом многоканального осциллографа и входом блока временной селекции, один выход которого подсоединен к другому входу многоканального осциллографа, а дру g синхронизации tfI систем вибрационного и ударного возбуждения, вход которого подсоединен к выходу системы вибрационного возбуждения, а выход подключён к входу блока автоматического управления, кроме того, другой выход системы вибрационного возбуждения подсоединен к входу многоканального осциллографа. Для работы устройства необходимо в пространстве горного массива первичные трехкомпонентные системопреобразователи располагать так, чтобы опорный сейсмопреобразователь (из четырех первичных сейсмопреобразователей, расположенных в пространстве горного массива по осям в прямоугольной системе координат) находился ближе других первичных сейсмопреобразователей как к тому, так и другому источнику возбуждения. Для уменьщения существенной разницы в амплитудных значениях (как продольной, так и поперечной составляющей сейсмосигналов) необходимо источники ударного и вибрационного возбуждения устанавливать на расстояниях, в 3-5 раз превышающих расстояние от опорного сейсмбпреобразователя до любого из измерительных. Такое размещение первичных сейсмопреобразователей и устройств возбуждения обеспечивает примерно одинаковые услоВИЯ механического возбуждения, т. е. амплитудные значения сейсмосигналов на первичных сейсмопреобразователях незначительно отличаются. Кроме того, механический импульс, создаваемый системой ударного возбуждения должен совпадать по знаку с полуволной сжатия массива, создаваемой системой вибрационного возбуждения, т. е. когда усилия ударного и вибрационного возбуждения массива складываются и имеют одно направление воздействия на участок горного массива. При этом устройство должно быть синхронизировано таким образом, чтобы наложение ударных импульсов системы ударного возбуждения на полуволну сжатия по синусоидальному закону осуществлялось в момент совпадения с импульсом селектора, при этом устройство находилось в состоянии готовности, т. е. цикл предыдущего измерения, обработки и регистрации информации был завершен. Для работы устройства сначала необходимо с помощью системы вибрационного возбуждения участок горного массива возбудить до установившегося режима, т. е. амплитуда колебаний, возбуждаемых в массиве, должна установиться постоянной. Контроль установивщегося режима проводится по показаниям первичных сейсмопреобразователей в массиве и на первичном сейсмопреобразователе, установленном на системе вибрационного возбуждения. После чего следует выбрать на участках установившихся амплитудных значений с помощью временного селектора значения ускорений и моменты, в которые должен срабатывать электромагнитный возбудитель системы ударного возбуждения с учетом времени задержки приходящего ударного импульса. Затем следует отрегулировать уровень срабатывания компараторов по суммарному значению вибрационного и ударного возбуждения для каждого заданного значения ускорения, повторяя операцию для каждого следующего значения ускорения по амплитудной характеристике вибрационного воздействия, причем при изменении частоты вибрационного воздействия, которое может регулироваться от долей через 25 Гц соответственно будут изменяться значения ускорений. Причем необходимо запуск системы измерений временных интервалов осуществлять одновременно с ударным воздействием на горный массив для исключения ложного срабатывания компараторов только от воздействия вибрационного сжатия. На чертеже представлена структурная схема устройства. Устройство состоит из четырех трехкомпонентных первичных сейсмопреобразователей 1, выходы которых соединены соответственно с входами четырех усилителейформирователей 2 продольной волны и с входам четырех усилителей-формирователей 3 поперечной вблны. Выход каждого усилителя-формирователя 2 и 3 соединен с входами трех блоков 4 измерения временных интервалов, каждый из которых включает два канала обработки продольной и поперечной составляющих сейсмической волны. Каждый выход усилителя-формирователя 2 соединен с входом канала обработки продольной составляющей, а каждый выход усилителя-формирователя 3 соединен с соответствующими входами канала обработки поперечной составляющей. Другие входы каждого канала соединены с соответствующими входами усилителей-формирователей четвертого первичного сейсмопреобразователя, относительно которого определяется время распространения продольной и поперечной составляющих сейсмических волн. В каждом канале блока 4 измерения временных интервалов выходы схем 5 и 6 управления ключом соединены с входами счетчиков 7 и 8, соединенных с входами блоков 9 и 10 памяти, а выходы их соединены с входами блока 11 отношений скоростей, состоящего из трех блоков 12 делений, выходы которых соединены с тремя входами блока 13 цифрового векторного анализатора, а выход его подсоединен к системе 14 регистрации данных. Выходы блока 15 автоматического управления соединены с тремя входами каждого блока 4 измерения временных интервалов, причем один выход подсоединен к схемам 5 и 6 управления ключами, другой подсоединен к счетчикам 7 и 8, а третий к блокам 9 и 10 памяти; с одним входом блока 13 цифрового векторного анализатора; с входом системы 14 регистрации данных и входом системы 16 ударного сейсмического возбуждения. В системе 16 ударного сейсмического возбуждения выход блока 17 питания соединен с входом электромагнитного возбудителя 18. Входы многоканального коммутатора 19 каналов подсоединены к соответствующему выхОлЧу усилителей-формирователей продольной и поперечной составляющих сейсмической волны, а выход его параллельно подключен к входу многоканального электронного осциллографа 20 и входу блока 21 временной селекции, один выход которого подсоединен к другому входу многоканального электронного осциллографа, а другой выход подсоединен к входу блока 22 синхронизации систем вибрационного и ударного возбуждения, к второму входу которого подключен выход системы 23 вибрационного возбуждения. Другой выход системы вибрационного возбуждения подключен к входу многоканального осциллографа. Кроме того, выход блока синхронизации подсоединен к входу блока автоматического управления. Устройство работает следующим образом. Механические колеб-ания, возникающие в массиве горных пород, принимаются четырьмя трехкампонентными первичными сейсмопреобразователями 1, расположенными в пространстве шахтного поля по осям и в центре прямоугольной системы координат, причем расстояние по осям определяется реальными рудничными условиями. Принятые механические колебания преобразуются в электрические сигналы по трем взаимно перпендикулярным направлениям и передаются усилителям-формирователям 2 и 3, посредством которых производится согласование с первичными сейсмопреобразователями, усиление электрических сигналов, фильтрация с целью исключения частотной зависимости при определении временных интервалов, формирование модуля мгновенного значения. С помощью сформированных сигналов осуществляется запуск блока 4 измерения временных интервалов. В каждом канале блока 4 измерения временных интервалов с поступлением сигнала от центрального (опорного) первичного сейсмопреобразователя, недалеко от которого размещено ударное устройство системы 16 ударного и вибрационного возбуждения массива, покомпонентно начинается счет импульсов заполнения, поступающих с блока 15 автоматического управления через ключи 5, 6 и заканчивается по приходе сигнала компоненты от соответствующего первичного сейсмопреобразователя, расположенного на оси координат. Далее идут счетчики 7 и 8, затем регистрация на блоках-9 и 10. Упpaв Ieниe счетчиками 7 и 8 и блоками 9, 10 памяти осуществляется в заданном режиме от блока 15 автоматического управления. Информация в цифровой форме с блоков 4 измерения временных интервалов передается в блок 11 отнощения скоростей, где производится деление скоростей продольной и поперечной составляющих сейсмических волн в схемах 12 деления по каждой оси. С блока 11 отнощений скоростей результаты, полученные для каждой оси, поступают в блок 13 цифрового векторного анализатора, где определяется геометрическая сумма отношений скоростей и направление в пространстве. В системе 14 результаты анализа регистрируются в цифровой форме и имеется возможность геометрического построения йр зультирующей,, что позволяет определить ее направление в измеряемом пространстве. Блок 15 автоматического управления управляет работой блока 4 измерения временных интервалов, блока 13 цифрового векторного анализатора, системы 14 регистрации данных и автоматической системой 16 ударного возбуждения, т. е. синхронизует работу устройства в целом. На восемь входов многоканального коммутатора 19 каналов поступает измерительная информация с восьми выходов усилителей-формирователей 2 и 3 продольной и поперечной составляющей сейсмической волны. Предусмотрена работа его в циклическом автоматическом или выборочном ручном режиме. Измерительная информация посредством многоканального коммутатора 19 каналов поступает на вход многоканального электронного осциллографа 20; который предназначен для визуального наблюдения за формой и величиной сейсмических сигналов по всем каналам продольной и поперечной составляющих сейсмической волны и контроля момента их вступления, для контроля момента воздействи механического удара в точке контроля, для контроля фазовых сдвигов между колебаниями, возникающими от воздействия системы вибрационного возбуждения массива и сейсмоколебаниями в точке контроля как продольной, так и поперечной составляющей, для наблюдения за импульсами, поступающими с блока временной селекции. Блок 21 временной селекции предназначен для выбора временного интервала на кривой исследуемого сейсмического сигнала и вырабатывает импульсы управления для блока 22 синхронизации систем вибрационного и ударного возбуждения. Импульсы управления вырабатываются в момент, когда ускорение достигает заданного значения. Контроль ускорения осуществляется по продольной составляющей сейсмической волны в точке установки опорного сейсмопреобразователя. Таким образом, для любых значений в заданном диапазоне изменения амплитуд ускорения можно сформировать управляющий сигнал с учетом конкретных условий распространения и затухания сейсмоколебаний в пространстве горного массива. Блок 22 синхронизации систем вибрационного и ударного возбуждения формирует импульс для запуска системы 16 ударного возбуждения на горный массив в зависимости от величины, ускорения, создаваемого системой 23 вибрационного и ударного возбуждения в ограниченном измеряемом пространстве горного массива, контролируемого с опорного первичного сейсмопреобразователя по продольной составляющей. Работа блока осуществляется по программе, учитыва 9щей время запаздывания, обусловленное прохождением упругого колебания от

места возбуждения до точки контроля при различных- частотах возбуждения, т. е. скоростях сжатия как вибрационном, так и ударном методах возбуждения. При этом регистрируются суммарные амплитудные значения сейсмических сигналов от вибрационного сжатия и ударного воздействия, т. е. по программе регулируется уровень срабатывания компараторов в блоках измерения временных интервалов. Для заданных конкретных значений ускорений устанавливают соответствующие уровни KOMJ парирования с учетом суммарных значений амплитуды и крутизны переднего фронта сейсмоимпульса.

Система 23 вибрационного возбуждения создает вибрационные колебания для возбуждения горного массива знакопеременными колебаниями большой мощности с

регулируемой частотой и силой воздействия и включает платформы, дебалансы, грузы, блок управления. При этом предусмотрена возможность дистанционного контроля, за частотой и силой возбуждаемых колебаний.

Таким образом, сочетание в данном устройстве вибрационного и ударного возбуждения в соответствии с предлагаемым схемным решением позволяет проводить оценку изменения напряженного состояния массива горных пород при динамическом нагруж ении, в котором проведение эксперимента и обработка информации осуществляется автоматически в конкретных горных условиях, что дает возможность повысить ка5чество измерений с обеспечением полной автоматизации проведения эксперимента и обработки данных.

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОЦЕНКИ ИЗМЕНЕНИЯ НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ МАССИВА ГОРНЫХ ПОРОД, содержащее первичные трехкомпонентные сейсмопреобразователи контроля продольной и поперечной составляющей сейсмической волны, последовательно соединенные с усилителями-формирователями, блоками измерения временных интервалов, блоками отношений продольной и поп,еречной составляющих сейсмической волны, цифровым векторным анализатором, системой регистрации данных, при этом выходы блоков автоматического управления соединены с управляющими входами блока измерения вре- менных интервалов, входом цифрового векторного анализатора, входом системы регистрации данных и входом системы ударного сейсмического возбуждения, отличающееся тем, что, с целью повышения точности оценки, оно снабжено системой вибрационного возбуждения массива, блоком синхронизации систем вибрационного и ударного возбуждения, блоком временной селекции, многоканальным коммутатором каналов, многоканальным электронным осциллографом, причем входы многоканального коммутатора каналов подсоединены к каждому выходу усилителей-формирователей продольной и поперечной составляющих сейсмической волны, а выход его соединен с входом многоканального осциллографа i и входом блока временной селекции, один выход которого подсоединен к другому О) входу многоканального осциллографа, а другой выход - к входу блока синхронизации систем вибрационного и ударного возбуждения, а выход подключен к входу с блока автоматического управления, кроме того, другой выход системы вибрационного возбуждения подсоединен ко входу многоканального осциллографа. СП ю

гп