Способ измерения физических свойств массива горных пород Советский патент 1980 года по МПК G01V3/12 G01V11/00 

I

Изобретение относитсй к способам измерения (и контропя) физических

свойств массива горных пород, в частности-прочности и электрических параметров горных пород (проводимости, диэлектрической и магнитной пронидаемости, йодулей сжатия, растяжения сдвига и пр.) низкочастотными геофизическими методами в процессе ведения rtq)H6-добычных работ и может быть испопьаоваш) в геофизических измерениях и ясследованнях низкочастотных электромагнитных и акус- ;тических полей в условиях присутствия промышленных помех вьсокой интенсивжх;ти,а также в других областях народного хозяйства: в энергоснабжении при поиске трасс подземных кабелей, в нефтяной и газовой промышленности для поиска подземных трубопроводов.

Известно, что для косвенного изкв- рения и контроля физических свойств . массива горных пород применяются способы, основанные на. геофизических методах. В большинстве используемых

способов генератором переменного тока возбуждают в массиве электромагнитные или акустические колебания и измеряют в месте 1фиема амплитуды или фазы воэ буждаемых полебаний) прошедших через массив горных пород. По известным соотношениям, которые связывают измеренные амплитудно-фазовые характеристики сигналов с параметрами горных пород, определяют и контролируют физические свойства массива, причем от точности п надежности измерения принимаемых сигналов зависит точность и надежность опенок искомых параметров.

Известна система для решения задач геоэлектроразведки с использованием синхронных генераторов и непосрсдстве но соединенных средств срав;юния ij.

Генератором переменного тока возбуждают в земле нткзкочастртное злектр ческое поле oairoii частоты и измер$пот в месте приема ам1шитудно-4)азовые ха- )актер стики возбуждаемых колебаний приемным устройством. Частоту

сигнала смесителя пруюмника берут равной частоте переменного тока генератора.

Известно также устройство для изморений изменений пёриодичеСктс сигналов на фоне шумов в системе вызванной поЛ5фйзаш1И, где генератором периодических сигналов возбуткдают в среде электромагнитные колебания одной частоты и измеряют в месте приема амплитуднофазовые характеристики возбуждаемых волебаний приемным устройством, в котором частоту опорного сигнала смесителя приемника выбирают равной частоте переменного тока генератора 2.

Недостатком этих устройств является tu| чтЬ S них частоту перёменнд1Х) тока генератора и опорных колебаний смесийШ ым

теля приёмника стабилизируют к

резонатором (часами), и, следовательно, полосу тфопускания приемника жестко закрепляют §а оси частот , В этом случае промышленные помехи от работающих машин и механизмов, обладая собственной нестабильн6стШ,Шй8да:ют: 1 полосу пропускания приемника, что искажает результаты измерений и приводит к неправильной оценке состояния waccw ва. . -. :. , Ч-. ; .

Наиболее близким является способ измерения электромагнитных параметров ШссШа гЬрныхпОр6д, в котором генератором переменного тока Еозбуждают в массиве два электромагнитных колеба Жйя Т1Осто8Мной гшзност1Й та в

течение всего периода модуляции. В месте приема измеряют изменение величины разностгнойадсТЪгьгьтягналЙ в течение тпёриода модуляции, по которому судят об исследуемых электричес ких пара метрах горных пород, приемным устройством, в котором частота опорного сигнала сме-, сителя приемника равна разностной часто теюоп еёанйй, возбуждаёмь1х в масБйве генератором переменного тока ЗЗ

Недостатком данного способа является то, что в массиве возбужда ют частотномодулированные колебайТ я й; ледот вательно, производят измерение пара WeTpOB сигнала приемником с широкой полосой пропускания. В условиях ведения горно-добычных работ в шщзокую полосу - прЬН5 К1сШ«Ш 11р%ёШ й1Ш попадают сигналы °с1ШЙ5фЮгеШХ Ш Шг1Йо1Ц1й йН Шь 1ВнЬсть йзТОрЫх часто np iibifflfaef уаЙЯЛйтуДу полезного сигнала. Интерпретация результйтов измерений

tipffii iSk ёйгналов состояния массива горных пород в этом случае;

714327

1становятся затруднительными и приводят к ошибочным результатам.

Црль предлагаемого изо етения - исключение влияния промышленных помех от работающих маш1Ш и механизмов на измеряемые характеристики принимаемых колебаний.

Для этого, используя промышленные помехи, присутствие которых в месте возбуждения и приема колебаний рассматривается как положительный фактор, фильтруют сигналы спектральных составляйших помех, делят частоты ятих составляюших на их удвоенный порядковы номер и умножают в нечетное число раз; полученными сигналами возбуждают в массиве горных пород электромагнитные или акустические колебания, а также ис- пользуют их в качестве опорных сигналов, и по результатам измерений судят О физических свойствах массива горных пород. . .

В данном способе генератором переменного тока возбуждают в массиве акустические или электромагнитные ниэкочастотные колебания в зависимости от применяемого метода, причем работу ведут на одной или нескольких частотах. Приемником измеряют в месте приема информативные характеристики воэбуждаемых колебаний прошедших через массив-амплитуду, фазу ( время задержки) или то и другое вместе. Члсто- ту опорного сигнала смесителя приемника выбирают равной частоте генератора. По значениям измеренных характеристик определяют гфочностнь.ю и электрические параметры горных пород, а по их изменению осуществляют контроль за состоянием массива.

Существенным отличием предлагае1л го способа от известных является то, что частоту переменного тока генератора и оперных колебаний смесителя приемника формируют из сигналов спектральных составляющих промышленных помех, сушествуюших в месте возбуждения и приема акустических или электромагнитных колебаний. За счет этого получают синхронное изменение частоты генератора и опорных колебаний смесителя приемника с изменением частоты помех.

В известных способах частоту переменного тока генератора и опорного сигнала смесителя приемника формируют местными генераторами, фиксированная впй Переменная частота которых не связана с частотой помех. В предлагаемом способе частоту гс hepaTopa и опорных колеб аний смесителя приемника формируют из дискретного спектра промышленных помех, для чего из спектра выделяют спектральную составляющую, например, 50 Гц, делят частоту выделенной составляющей на ее удвоенный номер и умножают в нечетное число риз. Путем такого преобразования располагают рабочую частоту генератора и частоту настройки приемника межд спектральными составляющими помех гфи любой нестабильности последних и тем самым исключают влияние спектральных составляющих помех на измеряемые характеристики принимаемых колебаний. В предлагаемом способе помехи специально пропускают в генератор и ,емник, формируют из них рабочие частот тогда как в известных способах помехи подавляют на входе приемника или в процессе обработки сигналов. На фиГо 1 представлены спектры помех и рабочих сигналов, поясняющие предлагаемого изобретения. На фиг. 1а показаны спектральные составляющие промышленных помех; на фиг. 16 покатзано перемещение помех по оси частот собственной частотной нестабиль HOctHj на фиг. 1 в отражена Процедура формирования рабочей частоты генератора и приемника из промьпилейных поме показаны на фиг. 1г. Спекрты помех и рабочего сигнала при достижении пели. На фиГо 2 изображена блок-схема устройства для реализации предлагаемого способа. Устройство содержит элжтроды 1, погруженные в массив для приема .си налов помех, полосовые фильтры 2 помех у генератора и приемника, усилитель 3, делители 4 частоты помехи, умножители 5 частоты помехи; полосовые фильтры 6 сформированных рабочих частот генератора и прие мника, усилитель 7 мощности генератора, электроды 8 генератора я приемника для возбуждения и приема электрических колебаний, усилители 9, полосовой фильтр 10 приемника, настро.енный на принимаемые колебания, сме|ситель 11 приемника, стрелочный 12 индикатор, блок 13 автоматической регулировки усиления, местные генераторы 14 в генераторе и приемнике, ключи 15 включения местных геиррато рой . Сушность предлагаемого способа поясняется следующим образом, В массиве горных пород возбуждают поле генератором перекгенного тока, который располагают в горной выработке на некотором расстоянии от щжемника. Из дискретного спектра промышленных помех, существующих в массиве, селективными выделяют спектральную составляющую, желательно высокой интенсивности, например) ц (фиг. 1а). формирования рабочей частоты генератора и равной ей частоты опорных колебаний смесителя приектика выделенную составляющую помех Делят на ее удвоенный номер и умножают б нечетное число раз. Таким образом, в генераторе и приемнике над частотой выделенной спектральной составляющей помех f производят операцию; fp %:C2MH}, - рабочая частота генерат 1)а и опорных колебаний cMectfтеля приемника; k - порядковый номер спектраль Ной составляющей помех; К 1, 2, ... ; ,И - любое целое число, 0, .. Числа Кии выбирают -такими, чтобы абочая частоте генератора приняла знаение, необходимое для данного метода онтроля массива горных пород. Этим реобразованием рабочую частоту генераора и опсфных колебаний смесителя приемника располагают строго между спек- тральными составляющими помех (фиг. 1в). Если помехи имеют частотную нестабильность i л$ц(фиг. 1б), то рабочая частота также нестабильна и может нэменяться в диапазоне; где 1 & р -абсолютная нестабильность рабочей частоты, оставаясь при этом все црсмя между спектральными составляющими помех (фиг. 1г). В реэультате устраняют попадание спектральных составляющих помех f к. Р любых частотных колебаниях. ± А i, в полосу пропускания приемника, настроенную на частоту р , и исключают влияние помех «а амплитудно-фазовые характеристики измеряемого сигнала. В известных способах помехи из-за собст1венной нестабильности попадают в полесу пропускания приемника, настроенную 77 на постоянную nacixn-y (фиг, 1С). При рабрто мнргрчастотьыми методами иэмеТ)ений и конт{х)ля в соответствии с фо}. мулой (1) формируют сеть дискретных рабочих частот р- , р и т .д. Бпок-юхема устройства для реализации снособа показана на фиг. 2. Помехи наводят на электродах 1 напряжение, кото рОёпоДйют ни фильтр 2 с полосой пропусканиягде выделяют составляющую помьх vt f усиливают ее усилителем 3, делят на удвоенный порядк вый номер составляющей делителем 4, умножают в нечётное число раз умножителем 5 и подают н 1 олосовой фильтр 6 с полосой пропускания $р i р. Полученные юлебания частоты „ ycvjливают усшнггелем 7 мощности и возбуждают ми массив через электроды 8. Кол бания, пройдя через среду, наводят на электродах 8 приемного устройства Hanps жекие полезного сигнала частоты р который усиливают усилителями 9 и до и после его фильтрации ф1тьтром 1О с полосой р t Ck 5.р и подают вместе с подавленными фильтром Ю составляющими на смеситель 11. Смесите- пёййз Совокупности полезного сигнала ййбмех вьщеляйот тот сигнал, частота которого равна частоте опорных колебаний - полезный сигнал частоты р расположенной между состарчяющими помех. Напряжение ЬПорного Сигнала сме с11тёйя поддерживают постоянным блоком АРУ 13. Характеристики сигнала на выходе смесителя измеряют прибором 12. Если интенсивность помех мала, к генератору и приемнику с помощью переключателей 15 подключают местные генераторы 14 рабочих частот ip .В качёетвё датчиков помех, кроме электродов 1; также используют электрическую или магнитную антенну, сёйсмоприемннк, а В сЪотВётствуюШих условиях понижающий трансформатор сетевого напряжения За счет форми ювания частоты переMe ftHotx TtbKa - генератbi:)a и опорных колебаний смесителя щзиемлика из про- мыипгенных помех и расположения рабочей частоты между спектральными составляющими помех исключают влияние последних на характеристики измеряемо- 7 го сигнала и, следовательно, на точность и надежность опенок параметров горных пород. Предлагаемый способ при сравнителыю небольшом усложнении аппаратуры позво ляет проводить измерение и контроль физических свойств массива горных пород в процессе ведения горно-добычных работ в присутствии помех Высокой интенсивности от работаюц1их машин и механизмов, что дает возможность непреры&но следить за состоянием массива, управлять техшмтогическкми процессами добычи полезного ископаемого, обеспечивать безопасные условия труда. Формула изобретения Способ измерения физических свойств массива горных пород, основан;1ый на возбуждении в массиве электромагнитных или акустических колебаний одной или нескольких частот, формировании опорного сигнала, частота которого .равна частоте возбуждаемых колебаний, измерении а точке приема амплитудно-фазовых характеристик возбуждаемых колебаний, отличающийся тем, что, с целью исключения влияния промышленных помех на результаты измерений, фильтруют сигналы спектральных составляющих помех, делят частоты этих составляющих на их удвоенный порядковый номер и умножают в нечетное число раз, полученными сигналами возбуждают в массиве горных пород электромагнитные или акустические колебания, а также используют их в качестве опсфных сигналов, и по результатам измерений L судят о физических свойствах массива горных пород. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Патент США № 3701940, кл. 324-i, опубпик. 1975. 2.Патент США № 3984759, кл. 324-6, опублик. 1976. 3.Авторское свидетельство СССР № 492836, кл. Q 01 V 3/12, 1975 (прототип).