Способ оценки напряженного состояния массива горных пород и устройство для его осуществления Советский патент 1986 года по МПК E21C39/00 G01N29/04 

2. Устройство для оценки напряженного состояния MaccHEia горных нород, содержащее приемник электромагнитных сигналов, приемник сейсмоакустических сигналов, соединенный с первым усилителем, выход которого соединен с входом первого амплитудного дискриминатора, счетчик, соединенный с первым входом блока сопряжения, выход которого подключен к цифропечатаю- щему блоку, отличающееся тем, что оно снабжено последовательно соединенными вторым усилителем, вторым амплитудным дискриминатором, блоком временной задержки, а также синхронизатором, задатчиком длительности им11ул11Са, элементом И, при этом выход последнего соединен со счетным входом счетчика, а два его входа - соот1

Изобретение относится к способам копт- роля папряжеппого состояпия массива горных пород вокруг выработок и может быть использовано для прогноза удароопасности и выбросоопаспости массива горных 11Ород.

Целью изобретения яв.чяется повыи1сние достоверности оценки напряженного состояния массива горных пород за счет определения количества естественных источ1П1к удароопасности массива и их местоположения относительно контура выработки.

На фиг. 1 изображена структурная схема устройства, предназначенного для осуществления способа оценки напряженного состояния массива горных пород; на фиг. 2 и 3 - варианты установки пунктов наблюдения; на фиг. 4 - кривые зависимости интенсивности э.лектромагнитных и сейсмоакустических сигналов источников естественного происхождения от расстояния, на ко тором эти источники находятся.

Устройство для оцепки напряженио1 о состояния массива горнык поро;; содержит пункт 1 наблюдения, состоящий из приемника 2 электромагнитных сигналов направленного типа, приемника сейсмоак стичес них сигналов, состояи1,) из геофона 3 о предварительным усилителем 4, выход п)и емника сейсмоакустических сигналов соединен с входом первого усилителя 5, выход которого соедипен с входом первого амплитудного дискриминатора 6, котор1 1Й подключен к одному из входов элемента И 7, приемник 2 электромагнитных сигналов направленного типа соединен с одни.м из входов узкополоспого второго усилителя 8, выход которого подключен к входу второго амплитудного дискриминатора 9, соединенного с первым входом блока 10 времепветственно с выходами первого амплитудного дискриминатора и блока временной задержки, причем приемпик электромагнитных сигналов подключен к входу второго усилителя, а задатчик дли ел1 ности импу,-|ьса - к второму входу блока временной задержки, при этом снпхропизатор соединен с вто- |)ым входом второго усилите;|я, третьим входом блока временной задержки, четвертым входом блока сопряжения, причем к второму и третьему входам ,пос;1еднего подключены соответственно выход второго амплитудного дискриминатора и блока временной задержки, а выход пифропечатаю- nj,ero блока соеди1- ен с входом «Сброс счетчика.

0

НОИ задерНчКи, к второму ;;ходу 1м.1;-;км :его ;10ДлЛ1Очен задатчик 11 дл1Г1 ельнос7 г ;.:пуль- са, а выход соединен с n UJpb:M BXO. э.ю- И 7, В111ход которого иодк. почен к счелному входу сче 1чнли 12, coe;u-:;teHHoro с пе|1вым входом блокл 13 ,;яже1;ия,

выход KOTOpOIT) ПОДКЛЮЧе : h 1,иф Пя1 Чатающему блоку 14, соедиие1 пому с входом «Сброс счетчика, причем к ггорол у, третьему и четгзертому -входам блока сопряжения подк. почен, выход второго амп. чггудпого дискриминатора 9, щяход б. .(} срсмен- пон .5а;1сржки и выход сип,роч :заторч 15, соелиненного с BTopi iM вхо.:;ам узхо олос- пого усилителя 8 и третьим ьходо 1 б. К)ка И) зис ленпой задержки.

Способ осупюств.пяется с.С уып;им об- |)азом.

На поверхности вырабо км (фиг. 2, 3) жестко .закреп.ляется iiyiiKT паб:1юдсния, в котором устанав,П В2етс ;1 чрис лпшч члектро- магнпт1П)Х си1Ч1алов, 1а:;оимор геофон с предварительным усили .с.юм- Затем одним из пзвсстпых способов, например по об- рази.ам гор1-;1з1х пород, ;;i;pt д(. скорость рас11рострапспия сейсмоакустическог о сигнала. Дй, 1се ;;а.:1,аЮ 1 СЯ рясстояпием, па котором производят регистрацию электро- MariinTiUiix и сейсмоакус пческих сигналов, из.аумасмых источниками сстсствещгого про- исхожл.ения (ipeuu-iniii, разлом;,;, и т.п.). По заданному расстоянию и известной скорости распространения сейсмоакусти - сского сигнала находят в|)емя запаздывания сейс.мо- акустического сигнала относительно электро- ма -нитного сигнала источника.

Далее задаются вре.менем измерения ин- тепсивностп э;|ектромаг итных и сейсмоакус- тических сигналов на каж;1ом интересуеMOM расстоянии. Рекомендуемое время измерения - 15 мин. Затем определяют интенсивность нар электромагнитны.х и сей- смоакустических сигналов на .заданном расстоянии в течение нринятого времени измерения, причем принимаются во внимание только те пары сигналов, у которых вре.мя запаздывания сейс.моакустического сигнала относительно электро.магнитного соответствует найденному, т.е. регистрируются только те естественные источники, которые находятся на заданном расстоянии. При этом приемник 2 электромагнитных сигналов направленного типа ориентируется вглубь массива, например по нормали к поверхности выработки, и определяет направление, по которому задается расстояние. По истечении времени измерения задается другое расстояние, на котором определяют интенсивность пар электромагнитных и сейсмоакустических сигналов с соответствующим этому расстоянию временем запаздывания сейсмоакустического сигнала относительно электромагнитного.

Исследовав таким образом интересуемый участок массива, по данным измерения получают зависимость интенсивности электромагнитных и сейсмоакустических сигналов источников естественного происхождения от расстояния, на котором эти источники находятся (фиг. 4). По полученной зависимости оценивают напряженное состояние массива горных пород.

Пример. На контуре горной выработки жестко закрепляется пункт наблюдения, в котором устанавливаются приемник электромагнитных сигналов направленного типа и приемник сейсмоакустических сигналов, на- при.мер геофон. Затем определяется средняя скорость распределения сейсмоакустического сигнала по известной методике. Для этого в горном массиве на стенке выработки устанавливают два геофона на известном расстоянии S один от другого и производят взрыв вблизи одной из CTeiioK забоя, на которой установлен геофон. Далее регистрируют сейсмоакустический сигнал обоими геофонами. Разница во вре.мени прихода сейсмоакустического сигнала к геофонам Г; и к Г2- является временем прохождения сейсмоакустического сигнала Д1. В условиях бокситового рудника при исследовании участков горизонта 500 м ujaxTbi вре.менной интервал между сейс.моакустическими сигналами, зарегистрированными геофонами Fi и Г2, находян|имися на расстоянии 134 м, 35 мс. Следовательно, скорость сейсмоакустического сигнала составляет:

Vca;: S/At 3,84 10- м/с. Дальнейшие исследования ноказали, что скорость распространения сейсмоакустического сигнала находится в пределах 3300- 4500 м/с и зависит от горно-геологических особенностей массива горнь х пород.

Далее задаются расстоянием, на котором производят регистрацию электромагнитных и сейсмоакустических сигналов. При практическом осуществлении способа реко- г мендуются следующие расстояния, м;

S; 2Ss 6S 10

S- 3Sf, 7До 20

5з 4Sy 8

84 5Ss 9

По заданному расстоянию и извест- 0 ной скорости распространения сейсмоакустического сигнала находят время запаздывания сейсмоакустического сигнала относительно электромагнитного. За точку отсчета берется момент регистрации электромагнитного сигнала, так как значение скорости электромагнитного сигнала на несколько порядков выще значения скорости распространения сейсмоакустического сигнала. Для принятых расстояний время запаздывания соответственно составляет: 0 Ati 521 МКСД1з 1,б52мс

Д12 781 МКСД1б 1,823 мс

Mj 1,042 мсAt т 2,083 мс

Д1., 1,302мс/ и 2,344 мс

д19 2,604 мс

Зате.м задаются временем измерения ин5

5

0

5

тенсивности электромагнитных и сейсмоакустических сигналов. Рекомендуемое время измерения на каждом исследуемом расстоянии - 15 .мин и регистрируют пары электромагнитных и сейсмоакустических сигналов на каждом принятом расстоянии. .По результатам измерений строят зависимости и тенсивности электромагнитных и сейсмоакустических сигналов источников естественного происхождения от расстояния, на котором эти источники находятся. Кривые, полученные при исследовании участков горизонта 500 м и 275 м шахты представлены соответственно на фиг. 4. Анализируя полученные зависимости, можно сделать вывод о том, что участок горизонта 500 м шахты характеризуется более напряженным состоя- 0 нием, чем участок горизонта 275 м шахты. проведении исследований на участке гор1 .зонта 500 м шахты отмечено наличие заколов и шелушения кровли, что также свидетельствует о напряженном состоянии массива. Дополнительный контроль напряженного состояния массива, проводившийся по методу дискования керна, подтвердил правильность сделанной ранее оценки.

Устройство работает следующим образом, В зависимости-от размеров исследуемо0 го участка горного массива устанавливается необходимое количество пунктов 1 наблюдения. Каждый пункт 1 наблюдения устанавливается на стенке забоя горной выработки и содержит приемник 2 электромагнитных сигналов направленного типа, рядом

5 с которым устанавливается геофон с широкой диаграммой направленности (фиг. 2), где Г - геофон, П - приемник электромагнитных сигналов, 16 - диаграмма направленности геофона, 17 - диаграмма направленности приемника электромагнитных сигналов. В случае исследования го)ного массива, ограниченного небольшим участком забоя выработки, например 50- -60 м, можно ограничиться одним пунктом наблюдения и рядом с геофоном установить несколько приемников электромагпитпых сигналов, ориентированных в заданных направлениях (фиг. 3). В этом случае приемники 2 электромагнитных сигналов последовательно подключаются к входу узкополосного второго усилителя. Электромагнитный сигнал от источника естественного происхождения (трещины) принимается приемником 2 электромагнитных сигналов направленного типа, усиливается и поступает на вход узкополосного второго усилителя 8, где усиливается до уровня, необходимого для нормальной работы второго амплитудного дискриминатора 9, при этом резонансная частота узконолосного второго усилителя 8 переключается но командам синхронизатора 15. Далее с выхода узкополоспого второго усилителя 8 сигнал поступает па вход второго амплитудного дискриминатора 9, который выделяет огибаюп,ую выходного CHI - нала узкополосного второго усилителя 8.

С выхода второго амплитудного ДИСК|;ИМИнатора 9 сигнал поступает на первьп1 вход блока 10 временной задержки, котор1 1Й рабатывает импульс, время задержки которого относительно входногч) сигнала переключается но командам синхронизатора 15. поступаюш,им на третий вход блока 10 вре менной задержки, а длительность импульс; определяется сигналами задатчика 11 д.1и- тельности импульса, поступающими на втс- рой вход блока 10 временной задержки. Выходной сигнал последнег о поступает ма второй вход элемента И 7. Сейсмоакус- тический сигнал принимается геофоном ;х усиливается предварительным усилителем 4 и поступает на вход первого усилителя о. где усиливается до , необход:- ;.(: для нормальной работы первого амп.читх л, ного дискри.мипатора 6. Л.алее с Бы:-.;с1да перво1Ч) усилителя 5 сигнал nocTvnac-T к; вход пе)вого амплиту;,пого дискрим П а Го ;1:. 6, который В1)1деляет огибакицуго Bi:),Horf: сигнала первого силиге;1Я 5. С вы.хода первого амплитудного дискри.инато1)а п ccriia:) поступает па первый вход элемента И 7. При совг1аде ии зременпого положс);;-;;- )- ходного сигпа. ш перво1 о амнлитуд.ного дискриминатора 6 с вре.меиным по. южеьием выходпого сигнала блока 0 временной держки на выходе элемента И ноявляс-чся сигнал, ноступающий па счетный вхо;;, «. че-;- чика 12. Последний в течение при1и;того времени измерения, наиример 15 Mnii, п)оизводит счет количества выходных сигналов элемента И 7. Информация о ко. ;ичест- ве сигналов со счетчика 12 непрерывно ю- ciynaeT на первый вход блока 13 сопря

5

0

женин, па второй и третий входы которого соответственно подаются выходной сигнал второго амплнтудног о дискри.минатора 9 и выходной сигнал блока 10 вре.менной задержки. Но истечении нрипятог о времени измере- tiMH ( команде синхронизатора 15 происхо- ;1ит переключение узкополосного второго усилителя 8 па нес бходи.мую частоту и время задержки импульса в блоке iO временной задержки. (Известно, что с увеличением расстояния между пунктами излучения и приема электро.магнитных сигна- .лов в массиве горных пород, их высоко- частотпь :е состав.ляюьчие затухают сильнее. Поэтому для более определения интенсивности электромагнитных сигналов па заданном расстоянии прие.м сигналов с б{ п uiiix Г п-стоян1-ш необходимо произ- ;иД,иП) на i.H,. ie. I::;:;;-.;;L ,cic i отах) .

Од,)емен1;о е згим ;ia четвертый вход (.пока с:}1 ря кс1;ия от синхронизатора 15 по- ;i;i(. H KOMai;;;a, по которой информация (jf) интенсивное i H j.ieKrpij;viai iiK-, i-ibix и сейсмо- л г, S,; ri-i iec Ki x ciTi алп;, пр -п;ятых с задан- п:: -с гоя - ия, а о :;11ачении это- 14; (jLi,(H;i:-; ; . лв; .1, i еь jui ||.ифропеча- Tainnuiii б.лсж 14. Кооме того, на послед- iiriii в;):ноди ся и,, пик о времени ре- ;егряпии, noc. ViiaKjHia л синхронизатора Г:: летаерть|й нхол п,1();;а сип)яжения. По- е;- .;ла . олшп) ;-; i (оорма ции на бумагу писЬропечйта ощкй ii ioK 14 выдает ко- .|-;л,у « биС;С; л:- их(,д счетчика ;2.

По ; а1ч;ым 1фед арн1гльиого залчера,

:l.- пr;i1 :. :.: ;; ,гть рас П |3uei pa ДСП ия ссйсмо;i о; i - .. -i eii ue; ;, ;ч;ел;| .1страняясь в мас .л:;и;-, приидет ач::: : osiii/se в 1 м за 150 мкс.

:;;, ;,:;те -ук;;|;| Й :ем: уласгок массива

яхлитси па ;;к:е-,ч5;; ими о 10 ;.; от стенки

-.;1};;ба и if.:;-/т jp;j : и 1-;С1л;ость Е 1 м.

Вибираех ., j.in ерзал измерения

i 3 )сми п,мк,ла) е за,;;: ;ii o;-;; расстояния S,

U,:, ) ,::п .-;,: ге :5адаем коэфuiHiii oii i делег1;;| ече : -Пчу ь екпхропизато/: г; ,.::; .а: 1:1ГПП)1Й Kaiia/i уст П е1ли1 принимает но:-:пи саю ние з массиве

ii.:;.:j: -;: :- (д;1ему (biioai y ммну, 1ьса с

. чо;,; ;ичзр Л ; а :v;e,H rv.Tiiuro дискр 1минато;. ;) 11;) :. за:.ус.: :)|;ка 10 времен :;.,1.: ./::;: b:ipvi - p -:: ..;;; вепомогатель::ь -: м:/ пулье L . :,.лптелbiKiC ью t:i.

е ;;:; :je:v: е,:учае 1 ---- 10 м/40(Ю м/с --: М; И) ,5 ;vu:. По :)аданному фронту е- .ь:, ,,пг;; :e..:, : -.i ;) иулулг.са б, :ок 10 форми- :: е Ciiri;;:.:, :1ли тельпость которо- : (/ .,;;.;:ляе:ч: ; npoiнжеиностью зоны изме- . П:1::-п1же 1пость изменения зада- 1. i V я ,,;|Дс1тчл колг biiOCTH импульса 11. r ii-Hiiev елучас- м/с 0,25 мс. :,KsiM f :,р: :. с выхода схемы 10 вре- :,()n ,л-;кя имее им :ульс, задержка киторогг относите,ьно выход1 ого сигнала irropijro алп1,::итудного дискриминатора 9 . у;е. а длительность ,25 мс. np:i па: л} чных значениях S и Е необходима корректировка значений 1.з и т, которая осуществляется путем изменения режимов работы блоков 10 и 11. По сигналам синхронизатора 15 в соответствии с задаваемым расстоянием измерения S иериодически, по истечении времени измерения (например, через 15 мин) изменяется величина задержки 1з импульса, формируемого схемой 10. При этом длительность т (при постоянной -€) не изменяется. Таким образо.м, проводят измерения в зоне заданной протяженности .м, «перемещаемой на любое расстояние S, находящееся в радиусе действия устройства. Управляющий сигнал поступает на первый из входов блока 13 и переводит его из режима ожидания в режим передачи информации на цифропечатающее устройство. По этому сигналу в блоке 13 происходит: определение расстояния до зоны измерения и ее протяженности путем сравнения и временной дискриминации сигналов с выхода второго амплитудного дискриминатора 9 и выхода блока 10 временной задержки, поступающих на входы блока 13 сопряжения, прием от синхронизатора 15 ин0

5

0

формации о текущем вре.мени; прием от счетчика 12 информации о количестве зарегистрированных импульсов; передача всей инфор- маг|ии на ЦПБ 14 для распечатки. ЦПБ 14 ф.чксирует на носитель (бумагу, перфоленту II т. д.) информацию о текуп 1е.м вре- .мени, дальности до зоны ее протяженности и количестве зарегистрированных импульсов. После распечатки с ЦПБ 14 на вход «Сброс счетчика подается сигнал сброса. Л стройство готово к новому циклу измерения.

.Пополнительно по.мехозащищенность повышается за счет особенности работы блока 10 временной задержки. Блок 10 в течение цикла измерения формирует только один вспомогательный импульс и не может быть запущен вторично в этот момент сигналом электро.магнитной поме.хи. Вторичные сейсмоакустические сигналы, которые могут возникать за счет иереотражения от неод- нородностей 15 массиве, будут з адержаны на время больше, чем первичный, и также не будут зафиксированы.

/7

фиг. 2

/7

фиг. J

N,ujiTr.

л/, глот. А

300 §25. |. ZOO I $0

WO - ъ

:$ 50 / 23 4-5 S 7 8 3 10S,M PaccmOfiHUe

Составитель Г. Алексее.ва

Редактор С. ПатрушеваТе.хред И. ВересКорректор . Ca ;бopcкaя

Заказ-115/41Тираж 470Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР

по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35. Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП «Патент, г. Ужгород, ул. Проектная, 4

S 3 10 S,M Расстояние

1. Способ оценки напряженного состояния массива горных пород, включаю- ший измерение средней скорости распространения сейсмоакустического сигнала, регистрацию времени прихода сейсмоакусти- ческих и электромагнитных сигналов, определение времени запаздывания сейсмоакустического сигнала относительно электромагнитного, отличающийся тем, что, с целью повьш1ения достоверности за счет определения количества естественных источников удароопасности массива и их местоположения относительно контура выработки, задают требуемую детальность исследования массива, задерживая время прихода сейсмоакустического сигнала относительно электромагнитного, регистрируют пары электромагнитных и сейсмоакустических сигналов, излучаемых естественными источниками удароопасности на заданных расстояниях, задают время измерения интенсивности электромагнитных и сейсмоакустических сигналов, определяют зависимость интенсивности электромагнитных и сейсмоакустических сигналов от расстояния до источников этих сигналов и по полученной зависимости судят о напряженном состоянии массива горных пород. i (Л 1С о о сх С71 со