СПОСОБ АКУСТИЧЕСКОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ НЕОДНОРОДНОСТИ МАССИВА ВБЛИЗИ ВЫРАБОТКИ Советский патент 1972 года по МПК E21B47/14 G01V1/00 

Изо.бретен 1е относится к области акустических исследований горных выработок.

Известны способы обнаружения неоднородиости массива и ее размеров. Эти способы основаны на воабуждении упругих волн в .массиве, приеме отраженных от неоднородности волн и измерении их характеристик.

Физическая сущность способов состоит в следуюш,е.м.

Пусть в однородной среде присутствует область, характеризующаяся други.ми физическими параметрами. Для определения ее местоположения II размеров с по.мощью направленного источника возбуждают в среде упругие колебания и принп.мают отраженные от указанной области волны. Измеряя время распространения отраженных волн, горизонтальные и BepTHKavibHbie углы излучения и приема, определяют по известной скорости уиругнх волН в коитролируемой среде местоположение этой иеоднородности.

Одним из основных факторов, ограничивающих точность указанных способов, является направленность акустических преобразователей. Направленность зависит от отношения линейных размеров рабочей поверхности иреобразо1вателя к длине волны. Для одного и того же преобразователя направленность увеличивается с повыщением частоты упругих волн. Однако, затухание упругих волн в горных породах увеличивается с повышением частоты и, следовательно, уменьшаются размеры контролируемого участка.

Другим обстоятельством, снил ающим точность рассматриваемых способов, является то,

что скорость распростраиения упругих волн в

контролируемом участке массива известна с

небольшой точностью. Это вызвано тем, что

скоростные характеристикн массива обычно

определяют путем измерений на образцах или

на .малых базах в .массиве.

В известны.х способах не используются свойства некоторых областей .массива - лучике переносить энергию упругих волн посравнению с прилегающими к ним областя.ми. Следствием этого является то, что возможен эффективиый контроль относительно малых Зчастков массива.

С иомощью предложенного способа можно не только производить с высокой точностью контроль состояния больших участков массива с использованием относительно высоких частот, но и определять неоднородность массива вблизи горной выработки. Основан этот сиособ и а регистраиии амплитуд упругих волн, отра/кенных от неоднородности, приемниками, расположенными на повер.хности выработки.

В .массиве выработки определяют положение звукопровода, возбуждают упругие колебания иужной частоты в звукопроводе, образованном 0 бластью повышенного напряжения, и принимают их множеством приемников, расположенных на поверхности выра1ботки. Граница неоднородности определяется с приемников по уровням сигналов, которые достигают некоторой пороговой величины, после общего спада уровня сигналов на приемниках, находящихся ближе к источнику упругих колебаний.

Частью способа является возбуждение в зву1копр01воде упругих волн, частота которых выбирается из условия наименьшего значения коэффициента затухания при условии существования звукопровода.

Точность предложенного способа зависит от выбора частоты упругих волн, но на нее не влияет точность определения скорости упругих волн в контролируемом участке массива.

С приемников на поверхности выработки непосредственно получают контур границ неоднородности.

Область повышенного напряжения располагается на определенном расстоянии от поверхности вырагботки для каждого конкретного случая, поэтому точность определения местоположения неоднородности массива повышается по сравнению с известными способами.

На фиг. 1 показан разрез массива вблизи выра1ботки; на фиг. 2 дан график зависимости скорости распространения упругих воли в массиве от расстояния области измерений до поверхности выработки; на фиг. 3-графи к зависимости коэффициента затухания упругих волн в массиве от расстояния области измерений до поверхности выработки (зависимость скорости распространения и коэффициента затухания упругих волн исследовалась в натурных условиях); на фиг. 4-график зависимости амплитуд электрических сигналов на выходах приемников, расположенных на поверхности выра|ботки, от их расстояния до источников упругих волн; на фиг. 5 изображена решетка приемников на поверхности выработки, ограниченная цепочками излучателей.

Массив вблизи выработки содержит зону 1 нарушенных пород, зону 2 повышенного напряжения, зону (3 нетронутого массива и шпуры и 5 (пунктиром показаны условные границы между тремя названными зонами). Предложенным способом можно обнаружить неоднородность 6 массива типа трещины, выключения другой породы и т. д. Граница неоднородности может пересекать границу или границы зоны повышенного напряжения, смещать границу или границы зоны повышенного напряжения, находиться внутри зоны повышенного напряжения. Следовательно, данным способом можно обнаружить неоднородность, связанную с зоной повышенного напряжения. В шпуры помещены источники 7 и 8 упругих колебаний. Источники могут быть импульсного или непрерывного действия. На поверхности выработки размещены в виде цепочки приемники 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16 и 17 упругих колебаний. В общем случае приемни ки располагают на поверхности выработки Б виде рещетки, образованной рядами однотипных цепочек. Для простоты ниже рассматривается цепочка приемников. Обобщение на случай решетки приемников не вызывает затруднений. Нриемниками могут служить преобразователи пьезоэлектрического,

магнитострикционного, динамического и других типов.

(Стрелками схематично показаны пути, по которым происходит распространение упругих волн в массиве).

Решетка приемников 18 на поверхности выработки ограничена цепочками излучателей 19 (пунктиром 20 соединены приемники с большими уровнями сигналов, по сравнению с приемниками, расположенными ближе к излучателю в каждом ряду пешетки).

На фиг. 4 пунктиром показана амплитуда сигналов при излучении в шпуре 4, сплошной линией - амплитуда сигналов при излучении в шпуре 5.

Источники 7 и S упругих колебаний помещают в шпуры 4 и 5, пробуренные в стенке выработки. На поверхности выработки между шпурами устанавливают цепочку приемников 9-17 упругих колебаний, регистрирующих

амплитуды смещений частиц среды. Электрические сигналы с выходов приемников подаются после усиления (или без него) на вход регистрирующего устройства. В качестве регистрирующего устройства можно использовать

электронный осцилограф или вольтметр. Если используют приемники динамического типа, регистрирующие колебательную скорость, то сигналы с их выходов подаются на интегрирующее устройство. С выхода интегрирующего устройства сигнал, соответствующий амплитуде колебаний частиц среды, подается на регистрирующий прибор.

Излучатели устанавливают приблизительно на оси области повышенного напряжения.

Местоположение указанной области находят экспериментально путем прозвучивания массива на малых базах и определяют его по наибольшей скорости распространения упругих волн и их наименьшему затуханию.

Упругие волны, возбуждаемые источником 5, распространяются во все стороны. Скорость их распространения при удалении от оси звукопровода в данном случае уменьшается, поэтому наблюдается явление рефракции волн

в окружающее пространство. После выхода из области звукопровода упругая волна распространяется в сильно трещиноватой среде с большим затуханием. Чем больше расстояние, проходимое волной в указанной среде, тем

меньше ее энергия. Например, волна, проходящая к приемнику 15, обладает меньшей энергией, чем волна, пришедшая к приемнийу 16. В результате этого амплитуда сигналов на выходе приемников убывает по мере удаЕсли в области 3|Вукопровода имеется неоднородность, то на ее границе с указанной областью происходит рассеяние упругих волн. Часть волн отражается обратно к источнику и распространяется ио звукопроводу, а часть рефра-гирует в окружающее пространство. Отраженные от границы неоднородности волны регистрируются приемниками. Энергия рефрагированных волн, доходящих до поверхности выработки, достаточно велика, так как распространение волн до встречи с неоднородностью происходит с малым затухан-лем, и путь, проходимый этими волнами после рассеяния на неоднородности, в среде с большим затуханием, мал.

Может оказаться, что источник 7 будет помещен близко от неоднородности. В этом случае энергия прямых волн, доходящих до стенки выработки, будет превышать энергию отраженных от неоднородности волн и обнаружить ее можно только при прозвучивании массива поочередно в двух противоположных напра:Блениях. Например, если при прозвучивании массива в одном направлении получен всплеск сигнала при удалении от источника, а при прозвучивании в другом направлении всплеска не обнаружено, то для выявления грайиц неоднородности необходимо увеличить рассстояние между источника.и, перемещая второй из них, и снова произвести измерения. Таким образом находятся две точки на линии приемников, по которым определяют две точки границы неоднородности. Помещая на стенке выработки решетку из приемников и производя прозвучивание массива излучателями, расположенными в двух ее рядах, поочередно в двух направлениях, получают на поверхности выработки контур участка, по которому судят о размерах и форме границы неоднородности.

От частоты упругих волн зависят размеры контролируемого участка и чувствительность предлагаемого способа. При использовании

низких частот, раз.меры участка увеличиваются, но одновременно увеличивается и то миии.мальное расстояние, на котором может быть обнаружена неоднородность. Это вызваио тем, что эффект звукопровода слабо выражен на низких частотах. Для высоких частот размер «мертвой зоны улгеньшается, так как эффект звукопровода выражен ярко. Однако размеры контролируемого участка уменьшаются, хоть и в меньшей степени, из-за сильного затухания волн в .массиве.

В предлагаемом методе частота упругих волн выбирается из условия наименьшего значения коэффициента затухания при услоВИИ существования звукопровода.

Предмет изобретения

1.Способ акустического определеиия неоднородности .массива вблизи выработки, заключающийся в том, что в массиве возбуждают упругие колебания и регистрируют ампли. туды отраженных от неоднородностей упругих волн группой приемнпков. расположенных в

оиределениом порядке на новерхности выработки, отличающийся тем, что, с целью иовышения точности и надежности измерен п 1, в области горной выработки предварительно определяют положение звукопровода, образованного областью повышенных напряжений, локализованной вблизи выработки, возбуждают упругие колебания определенной частоты в звукопроводе и по уровням сигналов, принятых приемниками, достигающих пороговых величин, иа поверхност) выработки определяют участок, по размерам и форме которого определяют размер и форму неоднородности.

2.Способ по п. 1, отличающийся те.м, что, с целью увеличения протяженности коитролируемого участка, частоту упругих волн определяют в соответствии с наименьшим значением коэффициента затухания )пругих волн в звукопроводе.

TTTTTTTrTvT

ч 9 Ю 11 72 /3 1 15 16 л 5 1 8 Фиг.2 I .1

Фиг

Фиг.л