Способ контроля напряженного состояния массива горных пород Советский патент 1990 года по МПК E21C39/00 

Изобретение относится к горному делу и предназначено для оценки про- странственного распределения напряжений в окрестностях горных выработок.

Цель изобретения - повышение точности контроля за счет уменьшения влияния контактных условий преобразователей с массивом.

На фиг. 1 представлена схема реализации предлагаемого способа; на фиг. 2 - нормированный график изменения отно1 1ения амплитуд высокочастотного и низкочастотного ультразвуковых сигналов в зависимости от расстояния (вдоль ) до контура выработки.

Схема включает две параллельные скважины 1 и 2, в которые помещены излучающий ультразвуковой преобразователь 3 и приемный ультразвуковой преобразователь 4, которые подсоединены к ультразвуковому npn6oiiy 5.

Способ осуществляют следующим образом.

В кровле, стенке или почве выработки бурят две параллельные скважины 1 и 2 (обычно на расстоянии 0,5-0,8 м одна от другой на глубину до. 3-5 м), по которым параллельно пepe eщaют излучающий ультразвуковой П11ео0разова- (Тель 3 и приемныр ультразвукшзоГг пре05

со

О)

образователь 4 дискретно с шагом 0.1-0,2 м.

Излучающий и приемный преобразовадействия буровзрывных и работ а также влияния перерасппеделения гор ного давления. На 3iOM участке затуха

тели 3 и 4 должнЕ, быть двухча тотньми, с. вне ультразвуковых волн максимально,

т.е. иметь как мишдаум две рабочие (резонансные) частоты - нижнюю f,, и

п

, Причем информативность с увеличением оТличия частот

10

верхнюю f контроля

f и и f g, возрастает, поэтому значение частоты €к должно быть возможно более низким,а частоты g, - возможно более высоким. Однако поскольку с уменьшением значения f возрастают резонансные размеры ультразвуковых преобразо- )5 вателей 3 и 4, то реально частота f, выбирается не ниже 40 - 60 кГц. Поскольку с увеличением частоты f возрастает затухание ультразвуковых ко- лебанш, то ее значение выбирается 20 максимальным, . при котором зондирующт сигнал уверенно регистрируется в точках приема. Обычно этому условию удовлетворяет частота f,, не превышающая 200 кГд,, , 25

При каждом фиксированном положении преобразователей 3 и 4, находящихся в параллельных скважинах 1 и 2 один против .другого, с помощью ультразвукоа амплитуды Л , (Гц) и A(fg,) принимаемых ультразвуковых сигналов - минимальны. Причем затухание высокочастотных сигналов здесь существенно пре вьпиает затухание низкочастотных сигналов и, следовательно, A.(f) pA,(f5).

На участке массива, соответствующем зоне опорного давления, затухание УЗ-сигиалов минимально, соответственно амплитуды A2(f н) и ) - максимальны, причем степень отличия А(Гц) и A2(fE,) друг от друга гораздо меньше, чем на участке, примыкающем к контуру выработки.

Далее по глубине скважин 1 и 2 следует участок сохранного массива (область естественных напряжений), на котором не произошло изменений напряжений и структуры горных пород под влиянием выработки. Полученные на этом участке значения амплитуд A;,(f) и AjCfpJ низкочастотного и высокочастотного сигналов соотносятся между

Далее по глубине скважин 1 и 2 следует участок сохранного массива (область естественных напряжений), на котором не произошло изменений напряжений и структуры горных пород под влиянием выработки. Полученные на этом участке значения амплитуд A;,(f) и AjCfpJ низкочастотного и высокочастотного сигналов соотносятся между

вого прибора 5 возбуждают сначала ра- зо собой и с амплитудами А,(Гц), A(fg),

диальные низкочастотные колебаний пьезозлемента преобразователя 3 на частоте f. С помощью последнего низкочастотный ультразвуковой сигнал из- .лучают в межскважинное пространство, пройдя которое указанный сигндл принимается приемным преобразователем 4, с выхода которого злектрический сигнал поступает на вход.ультразвукового прибора 5, который измеряет амплитуду А (ЕН) принятого УЗ-сигнала.

Затем с помощью УЗ-прибора 5 возбуждают продольные высокочастотные колебания пьезозлемента преобразовате

) и A2(i 5)j полученными на первом и втором участках следующим образом:

А,(н) АЗ() А(н); 3 А, (в) AjCffc) А(ГЬ);

A5(fM)A(f6).

Затем для каждой из фиксированных точек контроля получают отношение A(fg)/A(fy). Совокупность зтих отно- 4Q шений в функции от расстояния 1 до контура выработки (фиг. 2) отражает характер распределения напряжений в окрестности выработки. Причем расстояние 1(, на котором отношение

ля 3 на частоте f.С помощью преобразова-д5 А()/А(Г„) максиально, соответствутеля 3 высокочастотный ультразвуковой сигнал излучают в межскважинное пространство,пройдя которое указанный сигнал принимается преобразователем 4.Электрический сигнал с выхода последнего поступает на УЗ-прибор 5, измеряющий амплитуду этого сигнала.

Указанные операции проделывают при каждом 4|иксированком положении преобразователей по глубине скважин

|1 и 2.

I . На участке массива, прилегающем к койтуру выработки, имеются нарушения естественной,структуры вследствие воз50

55

ет положению максимума зоны опорного давления.

Поскольку коэффициенты передачи ультразвукового сигнала в системах излучающий преобразователь 3 - массив и массив - приемный преобразователь 4 практически одинаковы для высокочастотного и низкочастотного сигналов, то отношение A(fg)/A(fjj) практически не зависит от качества контактных ус- ловий преобразователей 3 и 4 с массивом. Необходимо, чтобы акустический контакт оставался постоянным в ходе всего цикла измерений на каждой фикдействия буровзрывных и работ, а также влияния перерасппеделения горного давления. На 3iOM участке затуха вне ультразвуковых волн максимально,

а амплитуды Л , (Гц) и A(fg,) принимаемых ультразвуковых сигналов - минимальны. Причем затухание высокочастотных сигналов здесь существенно пре- вьпиает затухание низкочастотных сигналов и, следовательно, A.(f) pA,(f5).

На участке массива, соответствующем зоне опорного давления, затухание УЗ-сигиалов минимально, соответственно амплитуды A2(f н) и ) - максимальны, причем степень отличия А(Гц) и A2(fE,) друг от друга гораздо меньше, чем на участке, примыкающем к контуру выработки.

Далее по глубине скважин 1 и 2 следует участок сохранного массива (область естественных напряжений), на котором не произошло изменений напряжений и структуры горных пород под влиянием выработки. Полученные на этом участке значения амплитуд A;,(f) и AjCfpJ низкочастотного и высокочастотного сигналов соотносятся между

собой и с амплитудами А,(Гц), A(fg),

собой и с амплитудами А,(Гц), A(fg),

) и A2(i 5)j полученными на первом и втором участках следующим образом:

А,(н) АЗ() А(н); А, (в) AjCffc) А(ГЬ);

A5(fM)A(f6).

Затем для каждой из фиксированных точек контроля получают отношение A(fg)/A(fy). Совокупность зтих отно- шений в функции от расстояния 1 до контура выработки (фиг. 2) отражает характер распределения напряжений в окрестности выработки. Причем расстояние 1(, на котором отношение

0

5

ет положению максимума зоны опорного давления.

Поскольку коэффициенты передачи ультразвукового сигнала в системах излучающий преобразователь 3 - массив и массив - приемный преобразователь 4 практически одинаковы для высокочастотного и низкочастотного сигналов, то отношение A(fg)/A(fjj) практически не зависит от качества контактных ус- ловий преобразователей 3 и 4 с массивом. Необходимо, чтобы акустический контакт оставался постоянным в ходе всего цикла измерений на каждой фик

5

«Гронаиной глубине (цикл включает имерения на высокой и низкой частота ;а также чтобы потери на контактах преобразователей 3 и 4 с массивом были меньше предельных, при которых еще возможна устойчивая регистрация высокочастотного зондирующего сигна

Экспериментальная проверка спосо прогедена на шахте, где добываются блоки пильных известняков.

В стенке подготовительной вырабоки на расстоянии 0,5 м одна от друг в вертикальной плоскости пробурены две скважины диаметром 42 мм и глуб ной 3 м. Излучающий и приемный преобразователи 3 и 4 синхронно переме лись по скважинам 1 и 2 с шагом Д1 0,1 м. Резонансные частоты преобрзователей 3 и 4 составляли кГ и fp 150 кГц.

Возбуждение излучающего преобразователя 3, измерение амплитуд А (Гц и A(fg) принятых ультразвуковых сигналов низкой и высокой частот осуществлялось ультразвуковым прибором УД2-16 (разработанным ПО Волна, , г. Кишинев).

В результате получена совокупность значений А(Ь н) и А(Е,) для каждой фиксированной точки контроля по глубине скважин. Затем были рассчитаны отношения A(fg)/A(fj) для каждой из указанных точек и построен нормированный график зависимости А(р)/А(ц) в функции от расстояния до контура выработки (фиг. 2), который отражает распределение напряжений вокруг выработки.

0

5

Многократные измерения отношений А(ц)/А(ц), приведенные в одних и тех же точках, показали, что максимальное их отклонение от среднего (по;гученного по результатам двадцати измеренш) не превышает 4-%, в то время как отклонения A(f g, А(Гц ) достигали 40%. Это подтверждает, что отношение A(fg)/A(fn) существенно в меньшей степени (практически па порядок) зависит от качества контактных условий, чем традиционные (амплитудные) информативные параметры ультразвукового контроля.

Формула изобретения

Способ контроля напряженного состояния массива горных пород, включающий прозвучивание массива импульсами низкой частоты с помощью излучающего и приемного преобразователей, дискретно перемещаемых в двух параллельных скважинах, и измерение амплитуд ультразвуковых импульсов, отличающий ся тем, что, с целью повьшения точности за счет уменьшения лияния контактных условтЧ преобразователей с массивом, при каждом фиксированном положении преобразователей по глубине скважин контролируемые участки дополнительно прозвучивают ультразвуковыми импульсами высокой частоты, определяют отношение амплитуд ультразвуковых импульсов высокой и низкой частот и по изменению этого тношения с глубиной контролируют распределение напряженш в массиве горных пород.

Фиг.1

Изобретение относится к горному делу и предназначено для оценки пространственного распределения напряжений в окрестностях горных выработок. Цель - повышение точности за счет уменьшения влияния контактных условий преобразователей с массивом. Массив прозвучивают импульсами низкой частоты с помощью излучающего и приемного преобразователей, дискретно перемещаемых в двух параллельных скважинах. Измеряют амплитуды ультразвуковых импульсов. При каждом фиксированном положении преобразователей по глубине скважин контролируемые участки дополнительно прозвучивают ультразвуковыми импульсами высокой частоты. Затем определяют отношение амплитуд ультразвуковых импульсов высокой и низкой частоты. По изменению этого отношения с глубиной контролируют распределение напряжений в массиве горных пород. Отношение амплитуд ультразвуковых импульсов существенно в меньшей степени зависит от качества контактных условий, чем традиционные информативные параметры ультразвукового контроля. 2 ил.

ffe)/M

Щи г. г