СПОСОБ КОНТРОЛЯ ИЗМЕНЕНИЯ НЕСПЛОШНОСТИ В МАССИВЕ ГОРНЫХ ПОРОД

Изобретение относится к геофизике и может быть использовано в горной промышленности для ведения мероприятий, контролирующих зарождающиеся процессы разупрочнения горного массива, ведущих к динамическим проявлениям и, как следствие, человеческим жертвам.

Известен способ [1], в котором ведется прозвучивание массива шумовым стационарным сигналом, имеющим нормальное распределение со средним значение равным нулю, и при приеме измеряют дисперсию этого сигнала и период автокорреляционной функции. Считают, что положение максимума зоны опорного давления соответствует точке массива с максимальной дисперсией и минимальным периодом автокорреляции функции принятого сигнала.

К недостаткам следует отнести низкую чувствительность, т.к. этот способ интегральный и в нем оценивается дисперсия всего сигнала в целом. И, как следствие, он не способен различать мелкие разупрочнения, появляющиеся при различных нагрузках.

Более близким является способ контроля изменения напряженного состояния горного массива, в котором ведут прозвучивание участков массива сигналами, использующими серию из нескольких пачек равномерных импульсов, оценивают дисперсию составляющих спектра сигнала и по их изменению в последующих сериях судят об изменении напряженного состояния горного массива в целом [2].

К недостаткам следует отнести низкую чувствительность и сложность реализации, т.к. спектр таких сигналов весьма сложен и выделить составляющие гармоник является непростой задачей, что не позволяет вести контроль в реальном времени.

Заявленное решение направлено на повышение чувствительности контроля изменения несплошностей в массиве горных пород для выбора прогностических характеристик и ведения прогноза разупрочнения контролируемого участка горного массива в реальном времени.

Поставленная цель достигается тем, что в известном способе заключающимся в прозвучивании массива сигналами, приеме сигналов, прошедших контролируемой участок массива горных пород, в качестве зондирующего сигнала используют серии отдельных одиночных прямоугольных импульсов, дополнительно определяют энергию каждого принятого импульса в выбранных частотных интервалах и определяют отношение

,

где A - коэффициент, пропорциональный амплитуде принятого импульса;

k=tgβ, β - угол наклона фронтов принятого импульса;

τ - длительность принятого импульса;

q - интервал сравнения от i до i+р, где ;

а об изменениях несплошностей в массиве горных пород определяют по неравенству

S_i,(i+p)<F_α(r_i,r_i+p)

где F_α - верхний α предел F - распределения со степенями свободы r_i и r_i+p;

α - уровень значности,

r_i=b_i(n_i-1); r_i+p=b_i+p(n_i+p-1);

; ;

γ_i=(n_i-2)R_i-3; γ_i+p=(n_i+p-2)R_i+p-3;

; ;

; .

Сущность предложенного изобретения заключается в следующем.

На контролируемом участке горного массива устанавливают датчики, которые работают в режиме прозвучивания (излучающий и приемные). В качестве зондирующего сигнала используют отдельные одиночные прямоугольные акустические импульсы. Приемные датчики, подключенные к приемной аппаратуре, принимают сигнал, прошедший контролируемый участок горного массива. Принятый сигнал в своем спектре будет иметь особенности, т.е. характерные изменения параметров спектральной плотности. При каждом приеме импульса определяется отношение а

,

где A - коэффициент пропорциональный амплитуде принятого импульса;

k=tgβ, β - угол наклона фронтов принятого импульса;

τ - длительность принятого импульса;

q - интервал сравнения от i до i+p, где .

Через промежуток времени t вновь излучают прямоугольный акустический импульс, измеряют его, и снова в спектре принятого сигнала будем иметь свои особенности. Особенности каждого такого спектра отражают физико-механическое состояние контролируемого участка массива горных пород, в том числе и изменение несплошности. Непосредственное сравнение спектров не дает полной уверенности в правильности выбора решения, ввиду недостаточной чувствительности и точности.

Для определения изменения несплошности контролируемого участка в массиве горных пород за время t, необходимо воспользоваться предложенным способом со следующей процедурой.

Во-первых, необходимо чтобы все излученные импульсы были приняты на приемной стороне. Во-вторых, длина трасс, по которым проходят импульсы, должна находиться в следующем соответствии:

Z₁<Z₂<Z₃<…<Z_l,

где Z_i=V(τ_i+τ_u).

τ_i - время прохождения импульса от излучателя I_s до i-го приемного датчика D_i;

τ_u - длительность принятого импульса;

V - скорость распространения импульса в контролируемой среде.

Далее при первом излучении излучателем I_s акустического импульса все приемное датчики принимают сигнал. Значит можно записать матрицу начального состояния А⁰:

где - начальное отношение спектральных составляющих i-го импульса j-ой трассы.

По истечении времени t₁ (t₁>>τ_i+τ_u), снова излучают и принимают n импульсов по l трассами снова получают матрицу состояния

По истечении времени t₂ получают матрицу состояния А²; По истечению времени t₃ - А³ и т.д. В результате получаем матрицу A_ch изменения состояния, т.к. в ней записаны все матрицы состояния А⁰, А¹, А² и т.д.

Для каждой строки матрицы состояния вычисляют

r_i=b_i(n_i-1); r_i+p=b_i+p(n_i+p-1);

; ;

γ_i=(n_i-2)R_i-3; γ_i+p=(n_i+p-2)R_i+p-3;

; ;

; .

А для определения физических изменений, т.е. изменения трещиноватости контролируемого участка массива горных пород, необходимо сравнить в выбранных матрицах состояния соответствующие строки

где F_α - верхний α предел F-распределения со степенями свободы r_i, и r_i+P;

α - уровень значности.

Например, для определения изменения несплошности от t₂ до t₈, необходимо подставить в неравенство (1) соответствующие строки матриц состояния А² и А⁸.

При выполнении неравенства (1) никаких существенных изменений несплошности на контролируемом участке массива горных пород не произошло. Если же указанное неравенство не выполняется, то за истекший период произошли изменения несплошности на контролируемом участке массива горных пород, которые могут быть зафиксированы неравенством (1) на выбранном уровне значности α.

Период повторения t_i излучения импульсов должен выбираться исходя из скорости геомеханических процессов в контролируемом массиве горных пород. Чем выше скорость таких процессов, тем меньше период повторения t_i и наоборот. Необходимость этого объясняется тем, что отслеживание изменения несплошности на ранней стадии существенно поможет выбрать прогностические характеристики для прогноза разрушения горного массива.

Длительность излучаемых импульсов выбирается одинаковой в сопоставляемых сериях и зависти от детальности контроля. Чем меньше контролируемый объект, тем короче выбирается длительность излучаемого импульса. Причем необходимо выбирать τ_u так, чтобы τ_u<<τ_i.

Положительный эффект заключается в использовании дифференциального подхода к определению изменения несплошности в массиве, т.к. контролируемый участок горного массива разбит на трассы, и изменение трещиноватости хотя бы в объеме одной трассы указывает на нарушение сплошности в контролируемом объеме массива горных пород.

В том числе выбор p для каждой трассы дает возможность менять чувствительность и определять значимо или незначимо произошли отличия между сравниваемыми временными интервалами.

Для сравнения предложенного способа и способа по [2] было проведено численное моделирование. Суть его в следующем импульсы, прошедшие контролирующий участок горного массива, имеют в своем спектре особенности, во временном понятии эти особенности выражаются в изменении переднего и заднего фронтов принятого импульса. Поэтому при численном моделировании учитывались изменения фронтов импульса с шагом один градус, т.е. прямоугольный импульс изменялся до трапеции, где боковые грани и «отвечали» за физико-механические изменения в контролируемом массиве. На фиг.1 приведены графики статистик по способу [2] линия 1, по предлагаемому способу - 2, а линия 3 это уровень выбранного классического F-критерия, по превышению которого считаются отличия значимы.

Из графиков видно, что предложенный способ чувствует различие практически с первого градуса (точнее со 2-го), в то время как способ [2] работает только с 12 градусов изменения фронтов и имеет провалы, которые отмечены на графике пересечением уровня критерия. Из приведенных вычислений можно судить о чувствительности предложенного способа.

ЛИТЕРАТУРА

1. Авт. св. СССР №1452984, 1989, БИ №3.

2. Патент РФ №2191411 от 20.10.02, БИ №29.