Способ контроля нарушенности горного массива и устройство для его осуществления Советский патент 1991 года по МПК E21C39/00 G01V1/00 

Изобретение относится к горному делу и может быть использовано для неразрушающего контроля структуры горного массива , из горных выработок в частности для контроля нарушенности и расслоения пород кровли, а также неоднородности строения кровли горных выработок.

Целью изобретения является повышение точности и эффективности контроля нарушенности горного массива.

На чертеже представлена структурная схема устройства контроля нарушенности горного массива.

При воздействии источника упругих колебаний на массив в нем возбуждаются затухающие периодические колебания, которые, как известно, определяются выражением

Х . sin( + $, коэффициент затухания, зависящий от коэффициента сопротивления, которое характеризует сцепление между слоями пород и отдельными элементами кровли при нарушенности монолитности массива, в общем случае/5 -, где m - масса резонирующего элемента.

Огибающая пачки колебанийi описывается выражением на интервале длительности сигнала Т. Если выбрать два

О

ю

00 sO

ю

1

фиксированные значения (уровни) огибающей, отличающиеся между собой в е (2,7) раз, например, Ui 0,9 А0. U2 0,17 А0, где АО - максимальное значение огибающей, и измерять время, в течение которого огибающая проходит через эти значения (Ui и U2), получим временной параметр т, обратно пропорциональный затуханию Д Изменение затухания 0 во всем частотном диапазоне совместно с амплитудным спектром колебаний позволяет оценивать размеры и массу колеблющихся элементов исследуемой среды и степень связанности, сцепления, демпфирования этих элементов средой. Информация о наличии таких обьек- тов, об их размере, массе, степени сцепления со средой повышает точность и эффективность выделения зон нарушенно- сти кровли, определения их размеров и степени опасности.

Сущность способа заключается в следующем. На исйледуемом участке горного массива производится однократное возбуждение упругих колебаний, приема этих колебаний, усиление, запоминание с последующей многократной регенерацией акустического импульса, измерение амплитудного спектра и одновременно с ним декремента временного затухания, характеризующего затухание колебания во времени, определяемого времейем спада (уменьшения) амплитуды зарегистрированного сигнала от максимального значения на момент возбуждения до выбранного уровня, например, уменьшением амплитуды в е раз. В результате этих измерений получают зависимости амплитуды затухания сигнала от частоты, что дает более полную информацию о структуре нарушенное™ и степени опасности исследуемого участка горного массива.

Устройство содержит последовательно соединенные источник упругих колебаний с датчиком отметки момента возбуждения 1, сейсмолриемник 2, широкополосный усилитель 3, блок памяти 4, полосовой фильтр 5, измеритель амплитуды 6 и измеритель затухания 7.

Измеритель амплитуды 6 содержит последовательно соединенные пиковый детектор 8, второй аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 9 и индикатор амплитуды 10.

Блок памяти 4 состоит из последовательно соединенных первого АЦП 11, запоминающего блока 12, цифроаналогового преобразователя (ЦАП) 13 и блока управления 14, входом подключенного к датчику момента возбуждения источника упругих

колебаний 1, а выходами к управляющим входам первого АЦП 11 запоминающего блока 12 и ЦАП 13.

Измеритель затухания 7 содержит узел

выделения огибающей 15, делитель напряжения 16, два компаратора 17 и 18, триггер 19, генератор опорной частоты 20, счетчик импульсов 21 и индикатор затухания 22. Узел выделения огибающей 15 вхо0 дом соединен с выходом полосового фильтра 9, а выходом - с первыми входами компараторов 17 и 18, вторые входы которых соединены с выходом делителя напряжения 16, входом соединенного с выходом

5 пикового детектора 11. Выходы компараторов 17 и 18 соединены со входами установки триггера 19, который последовательно соединен с генератором опорной частоты 20, счетчиком импульсов 21 и индикатором за0 тухания 22,

Широкополосный усилитель 3 совместно с полосовым фильтром 5 и измерителем амплитуды 6 является анализатором амплитудного спектра, а широкополосный усили5 тель 3, полосовой фильтр 5 и измеритель затухания 7 является анализатором спектра затухания упругих колебаний.

Устройство работает следующим образом.

0 После установки сейсмоприемника и включения аппаратуры производится воз- бужденир упругих колебаний в исследуемой зоне с помощью источника упругих колебаний 1. Упругая волна преобразуется с по5 мощью сейсмоприемника 2 в электрический сигнал, который усиливается широкополосным усилителем 3 и по управляющему сигналу, формируемому в блоке управления 14 из синхроимпульса, поступающего от датчика

0 момента возбуждения, установленного на источнике упругих колебаний 1, в аналого- цифровом преобразователе 11 производится его преобразование в цифровой код. В запоминающем блоке 12 производится по5 следовательное запоминание кодов, а по- еле окончания цикла записи по сигналу от блока управления -14 производится считывание записи с одновременным преобразованием кодов в цифроаналоговом

0 преобразователе 13 в аналоговый сигнал с выводом на полосовой фильтр 5 и последующем обработкой. Восстановление(регенерация) сигнала из памяти запоминающего блока 12 производится- непрерывно и

5 многократно без потери исходной информации на вход полосового фильтра 5 вместо одного сигнала поступает.последовательность импульсов в течение времени, необходимого для полного анализа, Перестраивая полосовой фильтр 5 в пределах частотного

диапазона, производится измерение амплитуды и декремента затухания на каждой гармонике спектра. Для этого после фильтрации производится аналоговое запоминание амплитуды гармоники, преобразование ее в цифровой вид в аналого-цифровом преобразователе 9 и отображение на цифровом индикаторе 10.

Одновременно с этим производится измерение декремента затухания сигнала на установленной частоте настройки, Для этого узел выделения огибающей 15 из поступающего от полосового фильтра 5 затухающего импульса выделяет огибающую и подает ее на первые входы компараторов 17 и 18. На вторых входах компараторов устанавливаются заданные уровни напряжения (например 0,9 и 0,17 от максимальной амплитуды импульса), которые формируются делителем напряжения 16, из напряжения вырабатываемого пиковым детектором 8. При изменении огибающей от максимального до нулевого значения компараторы 17 и 18 поочередно срабатывают при равенстве Uoi-иб. идел (0,9) И Uoi-иб. идел (0,17), В

момент срабатывания компаратора 17 возбуждается триггер 19, а при срабатывании компаратора 18 триггер 19 восстанавливается в исходное состояние. Выработанный триггером 19 временной интервал соответствует времени г затухания сигнала, например в е, т. е. 2,7 раз. Разрешение, выдаваемое триггером 19 на заполнение счетчика 21 в течение времени т от генератора частоты 20 позволяет преобразовать временной интервал в цифровой код счетчика с последующей цифровой индикацией соответствующего значения декремента затухания на индикаторе затухания 22.

Устройство, реализующее способ может быть выполнено, например, следующим образом.

В качестве сейсмоприемника может быть использован серийно выпускаемый сей- смоприемник, например СВ-10 или СВ-20.

Широкополосный усилитель можно выполнить на операционном усилителе, например К140 УД 14, включенном на схеме масштабного усилителя с коэффициентом усиления Ке 100.

Аналого-цифровой преобразователь АЦП может быть серийным, например К1113ПВ1, по известной схеме включения. Запоминающее устройство предпочтительнее выполнять на микросхеме К537РУ10 ввиду достаточно большого объема памяти и удобства ее организации.

В качестве цифроаналогового преобразователя ЦАП может быть использована серийная микросхема К572ПВ1, включенная по типовой схеме.

Устройство управления выполняет функцию синхронизации от устройства возбуж- 5 дения, управление записью, управление считыванием записи (регенерацией) с сохранением записи, стиранием записанной информации. Устройство управления содержит тактовый генератор, выполненный на

0 микросхеме К561ЛА7, адресный регистр на К561ИР6, триггер запуска и триггер режима (запись-считывание) на микросхеме К561ТМ2.

Полосовой фильтр может быть выпол5 нен по схеме активного фильтра и содержит последовательно включенные каскады фильтра высоких и фильтра низких частот третьего порядка с Чебышевским приближением с крутизной характеристики при0 мерно 20-22 октаву. Выполнены фильтры на операционных усилителях К140УД6, перестройка фильтров по частоте производится дискретно переключением времязадающих RC-цепей.

5 Пиковый детектор может быть выполнен в виде последовательно соединенных повторителя напряжения на операционном усилителе К140УД6 зарядного диода и запоминающего конденсатора, при этом конден0 сагор соединен отрицательной обратной связью с инвертирующим входом операционного усилителя. Постоянная времени каскада должна быть достаточно большой, например значительно больше периода по5 вторения импульсов сигнала.

Аналого-цифровой преобразователь, входящий в состав измерителя амплитуды, может быть выполнен на серийной микросхеме К572ПВ2, включенной по типовой0 схеме.

Т/1ндикатором амплитуды может быть ус- тройство, выполненное на матрицах АЛС324.

Узел выделения огибающей, входящий

5 в состав измерителя затухания, может быть выполнен аналогично пиковому детектору, причем постоянная времени каскада выбирается оптимальной.

Делитель напряжения может быть вы0 полней в виде последовательно соединенных трех резисторов Ri, Ra, Rs

с соотношением

Ri

Ri +R2

R2 + R3 R3 0,17, удовлетворяющих равенству Ri + R2 + 5 + R3 е 5 кОм.

Компараторы напряжения 17 и 18 могут, быть выполнены на серийных микросхемах, например К557САЗ, включенных по типовой схеме.

В качестве триггера 19 может быть реализована серийная микросхема, например К561ТМ2, включенная по типовой схеме триггера.

Генератор опорной частоты 20 может быть выполнен как кварцевый генератор, составленный по известной схеме с использованием трех, последовательно включенных вентилей серийной микросхемы К561 ЛА7 с обратной связью в виде кварцевого резонатора, включенного между выходом второго вентиля и входом первого. Выходной сигнал генератора снимается с выхода третьего вентиля.

Счетчик импульсов 21 может быть выполнен на нескольких микросхемах К176ИЕ4, соединенных последовательно, при этом все выходы счетчика снабжены усилителями тока на транзисторах, например, КТ315А с целью повышения их нагрузочной способности. Индикатор затухания 22 выполнен,; например, на нескольких цифровых индикаторах типа АЛС324Б,

Формула изобретения

1. Способ контроля нарушенное™ горного массива, при котором импульсным источником возбуждают упругие колебания определенной длительности, регистрируют упругие колебания в течение времени взаимодействия между источником и горным массивом на поверхности массива с последующим спектральным анализом зарегистрированных колебаний, отличающийся тем, что, с целью повышения точности и эффективности контроля нарушенное™, возбуждение упругих колебаний производят однократно, зарегистрированные колебания запоминают, а затем определяют время спада (уменьшения) амплитуды от максимального значения на момент возбуждения до выбранного уровня, по значениям которых оценивают степень нарушенное™ горного массива,

2. Устройство для контроля нарушенно- сти горного массива, содержащее источник упругих колебаний с датчиком момента возбуждения, сейсмоприемник испектроанали.затор, содержащий: последовательно соединенные широкополосный усилитель, полосовой фильтр и измеритель амплитуды, отличающееся тем, что, с целью повышения точности и эффективности контроля нарушенности, оно содержит блок памяти, включающий последовательно соединенные первый аналого-цифровой преобразователь, одним входом соединенный с выходом широкополосного усилителя,

запоминающий блок и цифроаналоговый преобразователь, а также блок управления, выходы которого соединены с входами управления первого аналого-цифрового преобразователя, запоминающего блока и

цифроаналогового преобразователя, а вход -сдатчиком момента возбуждения; измеритель затухания, состоящий из узла выделения огибающей, делителя напряжения, первого и второго компараторов, триггера, генератора опорной частоты, счетчика импульсов и индикатора затухания, причем вход узла выделения огибающей измерителя затухания соединен с выходом полосового фильтра, выход соединен с первыми

входами компараторов выход одного из которых соединен с одним из входов триггера, последовательно соединенного со счетчиком импульсов и индикатором декремента затухания, вход делителя напряжения измерителя затухания соединен с выходом измерителя амплитуды, содержащего последовательно соединенные пиковый детектор, второй аналого-цифровой преобразователь и индикатор амплитуды, а

выходы соединены соответственно с входами первого и второго компараторов, причем выход второго компаратора соединен с вторым входом триггера.

Изобретение относится к горному делу и предназначено для неразрушающего контроля структуры горного массива. Цель повышение точности и эффективности контроля нарушенное™. Импульсным источником возбуждают упругие колебания определенной длительности. Возбуждение упругих колебаний производят однократно. Колебания регистрируют и запоминают. Затем определяют время спада амплитуды от максимального значения на момент возбуждения до выбранного уровня. По значениям уровня оценивают степень нарушенное™ горного массива. Устр-во для реализации данного способа содержит блок памяти, включающий последовательно соединенные первый аналого-цифровой преобразователь, широкополосной усилитель, запоминающий блок и цифроаналого- вый преобразователь. Устр-во имеет датчик момента возбуждения, измеритель затухания, делитель напряжения, первый и второй компараторы, триггер, генератор опорной частоты, счетчик импульсов и индикатор затухания. 2 с.п. ф-лы, 1 ил. Ј