Способ контроля напряженного состояния массива горных пород Советский патент 1988 года по МПК E21C39/00 

1 . Изобретение относится к горноку делу и предназначено для определения напряженно-деформированного состояния горных пород вокруг горных выработок.

Целью изобретения является повышение точности контроля за счет исключения влияния контактных условий преобразователей с массивом.

На фиг.1 представлена схема реализации способа; на фиг.2 - осциллограммы однократно и двукратно отраженных от отражающей скважины акустических сигналов, принятых приемным пьезопреобразователем; на фиг.З - изменения отношения амплитуд огибающих 3 гих сигналов с глубиной.

Способ осуществляют следующим образом.

В кровле, почве или стенках выработки 1 бурят две параллельные сква- . жины (шпуры) 2 н 3 на глубину L 5-8 м. При этом одна из скважин, например 2, является измерительной, а другая (3) - отражающей. В измерительную скважину 2 (в ее устье/ помещают совмещенный (выполняющий одновременно функции излучателя и приемника) акустический преобразователь 4 (обычно пьезопреобразователь), который перемещают дискретно в глубь массива с шагом 10-20 см.

Электрическими импульсами ультразвукового прибора 5 возбуждают акустический преобразователь 4, с помощью которого импульсные ультразвуковые колебания излучают в межскважин- ное пространство 6. Прошедшие меж- скважинное пространство 6 импульсные ультразвуковые колебания отражаются отражающей скважиной 3 и снова, пройдя межскважинное пространство 6, принимаются преобразователем 4.

Амплитуда А, огибающей сигнала 7 (фиг. 2) на выходе акустического преобразователя 4 в общем случае может быть записана в виде

А, U-K.-Kj K j-K Kf, (О

где и - электрическое напряжение на выходе генератора возбуждающих импульсов ультразвукового прибора 5;

К, - коэффициент электромехани- ческого преобразования акустического преобразователя 4

К, - коэффициент прохозкдения

ультразвуковых колебаний че47752

рез границу -реобра-зояст ьт 4 - массив или через грани цу массив - преобразователь 4; 5 коэффициент передачи межскважинного пространства 6; К - коэффициент отражения ультразвуковых колебаний от отражающей скважины 3; коэффициент механоэлектрического преобразования акустического преобразователя 4. Часть ультразвукового сигнала, подающего на измерите1 ьную скважину 2, отразится от нее с некоторым коэффициентом отражения К, пройдет межскважинное пространство 6, отразится от отражающей скважины 3, снова йрой- дет межскважинное пространство 6. Да- лее этот сигнал будет принят преобразователем 4, на выходе которого имеет электрический сигнал 8. Амплитуда Aj огибающей этого сигнала в общем случае может быть записана в виде

AJ и-К,,(-К, . (2

Для отношения амплитуд А и Aj огибающих сигналов 7 и 8, однократно и двукратно отраженных от отражающей скважины 3 соответственно имеем

25

1

К } (.

(3)

Коэффициенты К и К4 о гражения ультразвуковых колебаний от скважир 2 и 3 зависят главным образом от соотношения длины волны излучаемого сигнала и диайетра скважин, а также

от некоторых других факторов. Однако важно, что эти коэффициенты остаются постоянными при перемещении преобразователя 4 (и соответственно при проведении измерений ) в глубь массива

от контура выработки.

Таким образом отношение , можно рассматривать как функцию только Kj, т.е. частотно-зависи1 1ого затухания межскважинного пространства 6,

которое в свою очередь является функцией напряжений, действующих в массиве. В результате на участке, премы- кающем к контуру выработки (зона разгрузки), отношение максимально,

В зоне опорного давления (где напряжения максимальны) зто отношение минимально, а на участке, на котором не произошло изменений напряжений и структуры пород под влиянием выработ31

ки (зона естествен атх напряжений), отношение имеет промежуточное значение.

Для оценки пространственного распределения напряжений в окрестности горной выработки и выявления местоположения максимума зоны опорного давления получают совокупность измерений А, и А, и их отношение (фиг.З) по мере углубления преобразователя А в массив.

В принципе дпя оценки пространственного распределения напряжений в окрестности горной выработки можно вычислять отношение амплитуд любых точек однократно и двукратно отраженных от скважт&1 3 сигналов 7 и 8, лишь бы эти точки имели одну фазу относительно начала сигналов. Однако методически и аппаратурно удобнее определять отношение амплитуд огибающих сигналов 7 и 8, в частности, потому, что эти точки характеризуются наилучшим соотношением сигнал - помеха. Вместо одного совмещенного преобразователя 4 могут использоватся два рядом расположенных преобразвателя, один из которых является излучающим, а другой - приемным.

Экспериментальная проверка способа показала, что по сравнению с базвым способом (за который принят способ-прототип) он позволяет повысить точность определения местоположения Максимума зоны опорного давления на 30-50%.

Способ позволяет получать своевр оперативную информацию о перраспределении горного давления в окрестностях горных выработок, что необходимо дпя безопасного ведения горных работ (социальный эффект).

5

Кроме того, предпагаемии способ по српвненню с базовым обеспечивает большую производительность контроля, поскольку благодаря повышенной точнести он исключает необходимость

повторных измерений и в нем осуществляется перемещение и обеспечение контактных условий только одного (а - не двух как в базовом способе) акустического преобразователя.

Формула изобретения

Способ контроля напряженного состояния массива горных пород, включающий излучение в массив ультразвуко- вых импульсов прием их после прохождения контрслируемого участка, расположенного меткду двумя параллельными

скважинами, с помощью преобразователей, перемещаемых вдоль скважин, измерение амплитуд принимаемых импульсов и определение распределения напряжений в массиве по изменению

амплитуд принятых ультразвуковых импульсов, отличающийся тем, что, с целью повьш1ёния точности контроля за счет исключения влияния контактных условий преобразователей

с массивом, излучение и прием ультразвуковых импульсов осуществляют из одной скважины - измерительной и регистрируют однократно и двукратно отраженные импульсы от второй - отражающей скважины, определяют отношение амплитуд огибающих однократно и двукратно отраженных импульсов и по изменению этого отношения с глубиной судят о распределении напряжений в

массиве горных пород, при этом по

минимуму отношения определяют положение максимума напряжений зоны опорного давления.

Г/77777/7

Фиг.1

фиг. 2

Изобретение относится к горному делу и позволяет повысить точность контроля за счет исключения влияния контактных условий преобразователей с нассивон. В кровле, почве или стеиках выработки I бурят две параллельные скважины (С) 2 и 3. При этом, например, С 2 является измерительной, а С 3 - отражающей. В С 2 помещают совмещенный (выполняющий одновременное функции излучателя и приемника) акустический преобразователь А, пере- мещаемый вдоль С 2. С помощью него излучают в межскважиннов- пространство 6 ультразвуковые импульсы. Однократно и двукратно отраженные от С 3 импульсы регистрируют и определяют отношение амплитуд огибающих однократно и двукратно отраженных импульсов. По измененню этого отношения по мере углубления преобразователя 4 в массив, судят о распределении напряжений в массиве горных пород. По минимуму отношения определяют положение максимума напряжений зоны опорного Давления. 3 ил. сл М ел

Фиг.З

Составитель В.Петрова Редактор З.Ходакова Техред М.ХоданичКорректор ЛЛ1атай

3383

Тираж 459, . .

ВНИИПИ Государственного комитета СССР

по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Прой«одст«енио-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная, 4