Способ определения изменений напряженного состояния массива горных пород во времени и устройство для его осуществления

 

Изобретение относится к строительству, горному делу и экологии, в частности к регулированию процессов изменений механического состояния массивов грунтов и горных пород. Задачей изобретения является упрощение измерений и повышение их информативности и точности за счет использования бесконтактных дистанционных оптических измерений интенсивности инфракрасного излучения (ИК) вместо тензометрических. Способ включает образование выработки или скважины и измерение изменений напряженного состояния окружающего массива. В выработку или скважину помещаются датчики ИК-излучения и по их показаниям измеряют изменения мощности потока этого излучения. По графикам изменения значений мощности ИК-излучения во времени восстанавливают эволюцию параметров напряженного состояния в зонах поверхности вблизи этих участков. В частности фиксируют моменты изменений напряженного состояния и оценивают величины таких изменений. В устройстве используются бесконтактные датчики ИК-излучения, размещенные в корпусе. Их объективы направлены наружу на определенные участки поверхности выработки или скважины. Информация об изменениях мощности потока излучения в виде электрических сигналов поступает в многоканальный предусилитель, размещенный в корпусе. 2 с.п.ф-лы, 7 ил.

Изобретение относится к строительству, горному делу и экологии, в частности, к изучению процессов изменений механического состояния массивов грунтов и горных пород и участков земной коры при природных и техногенных воздействиях.

Известен способ регистрации процессов и измерения изменений напряженного состояния массивов грунтов и горных пород во времени, включающий образование выработки или скважины и измерение изменений параметров напряженного состояния окружающего массива, состоящий в том, что к поверхности выработки или скважины прикрепляются измерительные элементы, принцип работы которых основан на измерениях электрических параметров (электрическое сопротивление или разность потенциалов или емкость) при деформировании этих элементов, сопровождающем деформирование породы, и с помощью этих элементов измеряются изменения деформаций горной породы на обследуемом участке поверхности, которые затем пересчитываются в изменения напряжений (см. Ржевский В.В., Новик Г.Я., Основы физики горных пород, Москва, Недра, 1988).

Недостатком этого способа является необходимость механического закрепления измерительных элементов (первичных преобразователей) на исследуемом участке поверхности, который должен быть специальным образом предварительно выровнен и зачищен, что делает этот способ применимым лишь для условий конкретных заранее подготовленных доступных участков выработок или скважин и исключает возможность сканирования измерений по поверхности выработки или скважины.

Известно устройство для регистрации процессов и измерения изменений напряженного состояния массивов грунтов и горных пород во времени, включающее корпус и помещенный в нем датчик изменения напряженного состояния, измеряющий механическим или электромеханическим путем параметры перемещений во времени (скорости и ускорения) точек поверхности выработки или скважины, по которым, в свою очередь, оцениваются изменения напряженного состояния массива во времени (см. Аппаратура и методика сейсмометрических наблюдений в СССР, АН СССР, Ин-т физики земли им. О.Ю.Шмидта, "Наука", М., 1974 г).

Недостатком этого устройства является то, что изменения напряженного состояния в массивах грунтов и горных пород могут оцениваться с его помощью лишь опосредованно, через записи показаний механических и электромеханических датчиков, пересчитываемые сначала в параметры перемещений точек массива, и затем, при достаточном объеме информации и известных механических характеристиках породы и самих датчиков - в величины изменений напряжений.

Известен способ определения напряженного состояния массива грунта и устройство для его осуществления (SU 1643661 A1, 23.04.91), взятый в качестве ближайшего аналога. Способ включает образование выработки или скважины, определение изменений мощности потока ИК-излучения с помощью помещенного в выработку или скважину датчика инфракрасного излучения и изменений параметров напряженного состояния окружающего массива. А устройство для реализации способа содержит корпус и помещенный в нем датчик ИК-излучения, размещенный в торцевой части корпуса.

Основным недостатком способа и устройства является то, что с их помощью можно определить параметры напряженного состояния грунтового массива только в момент разгрузки. Этот недостаток определяется тем, что после разгрузки обследуемого участка поверхности он оказывается отделенным от массива, окружающего зону измерений, и изменения напряженного состояния этого массива во времени после момента разгрузки не будут влиять на напряженное состояние отделенного от него участка, на котором помещен датчик ИК-излучения, а сигнал с датчика после разгрузки участка массива не будет содержать никакой полезной информации, в частности, об изменениях напряженного состояния в массиве, окружающем этот участок. Другой существенный недостаток устройства определяется отсутствием в нем предусилителя, снижающего относительный уровень шумов в поступающем с него сигнале, что делает устройство пригодным лишь для фиксации значительных изменений напряжений в зоне измерений, связанных с вызываемым внедрением этого устройства в грунтовый массив.

Задачей изобретения является упрощение измерений и повышение их информативности и точности за счет использования бесконтактных дистанционных оптических измерений интенсивности ИК-излучения вместо тензометрических, сейсмографических или акустическо-эмиссионных измерений.

Это достигается тем, что в способе определения изменений напряженного состояния массива горных пород во времени, включающем образование выработки или скважины, определение изменений мощности потока инфракрасного ИК-излучения с помощью помещенного в выработку или скважину датчика ИК-излучения и измерений параметров напряженного состояния окружающего массива, в выработку или скважину помещают дополнительные датчики ИК-излучения, основной и дополнительные датчики направляют на фиксированные участки на поверхности выработки или скважины и измеряют изменение мощности потока ИК-излучения в этих фиксированных участках, сигналы с датчиков ИК-излучения передают на усиливающую, фильтрующую и запоминающую аппаратуру, строят графики путем обработки данных ИК-измерений и по ним восстанавливают эволюцию во времени параметров напряженного состояния в зонах поверхности вблизи этих участков, в частности, фиксируют моменты изменений параметров напряженного состояния - суммы главных напряжений π и для каждой зоны наблюдения оценивают величины таких изменений в течение интервала времени (t,t+Δt) по формуле Δπ(t) = (V(t+Δt)-V(t))/A = ΔV(t)/A, где V(t) - запись во времени результатов измерений, A - коэффициент, который определяется либо расчетным путем по теплофизическим характеристикам породы и параметрам используемой аппаратуры, либо на основе данных специальных тарировочных опытов. А устройство для определения изменений напряженного состояния массивов горных пород во времени, содержащее корпус и помещенный в нем датчик ИК-излучения, размещенный в торцевой части корпуса, снабжено дополнительными датчиками ИК-излучения, также размещенными в корпусе и соединенным с выходами основного и дополнительного датчиков многоканальным предусилителем и подключенными к его выходу посредством многоканального кабеля последовательно соединенными основным усилителем, многоканальным аналого-цифровым преобразователем (АЦП) и компьютером, при этом каждый датчик ИК-излучения выполнен в виде размещенного в своем корпусе объектива с приемным окном и первичного преобразователя ИК-излучения, а в корпусе устройства датчики ИК-излучения расположены таким образом, что их объективы направлены наружу корпуса на фиксированные участки поверхности выработки или скважины, причем, при использовании устройства в выработке его устанавливают на фиксирующую его положение подставку, а при измерениях в скважине положение устройства в сечении фиксируется приспособлением, задающим и фиксирующим азимутальную его ориентацию, причем, объектив основного из датчиков ИК-излучения направлен за забой скважины, а дополнительных - на стенки скважины.

Сущность изобретения поясняется чертежом, где: на фиг. 1 изображен общий вид устройства для измерений, на фиг. 2 - схема приемника ИК-излучения, на фиг. 3 - схема расположения ИК-приемников внутри корпуса устройства, предназначенного для измерений в скважине, на фиг. 4 - расположение устройства в выработке, на фиг. 5 - расположение устройства при выполнении измерений в скважине,
на фиг. 6 - блок-схема аппаратуры усиления, преобразования и записи сигналов изменения уровня ИК-излучения при выполнении измерений,
на фиг. 7 - обобщенный вид отрезка результирующей записи ИК-сигнала и пояснение способа определения изменения параметра напряженного состояния по "скачку" значений этой записи.

Устройство 1 состоит из корпуса 2, в котором размешены бесконтактные дистанционные датчики 3 для регистрации изменений напряженного состояния породы, представляющие собой приемники инфракрасного излучения. Каждый датчик ИК-излучения 3 внутри своего корпуса 4 содержит объектив 5 с приемным окном 6 и первичный преобразователь ИК-излучения 7. Датчики 3 смонтированы в корпусе 2 устройства 1 таким образом, что их объективы 5 направлены наружу корпуса 2. Кроме датчиков ИК-излучения в корпусе 2 устройства размещается многоканальный предусилитель 8, в который поступают сигналы от датчиков 3 по соединительным кабелям 9. Наличие предусилителя 8 имеет целью исключить потери информации при ее передаче во внешних кабельных линиях 10.

Способ реализуют следующим образом.

Устройство 1 помешается в горную выработку или в скважину так, что объективы 5 датчиков ИК-излучения 3 направлены на свободные от крепи поверхности выработки 11 или искважины 12.

При использовании устройства в выработке оно помещается на фиксирующую его положение подставку 13 и положение устройства фиксируется в зависимости от геометрии выработки относительно поверхностей, на которые должны быть направлены приемники излучения.

При использовании устройства в скважине оно выполняется в виде цилиндра с осью, направленной вдоль оси скважины, и имеет поперечные размеры, определяемые сечением скважины. В этом случае один из датчиков 3а устанавливается в торцевой части корпуса устройства и направлен на забой скважины, а другие 3б - располагаются на боковой поверхности цилиндра на расстоянии не менее 100 мм от его торцевой поверхности. Рациональное число датчиков 3б на боковой поверхности - четыре, причем, эти датчики располагаются попарно на перпендикулярных линиях, проходящих через вертикальную ось цилиндрического корпуса устройства. При опускании устройства 1 в скважину оно должно снабжаться специальным приспособлением 14, задающим и фиксирующим его азимутальную ориентацию.

По многоканальному кабелю 10, внешнему по отношению к устройству, информация с каждого датчика поступает на соответствующие каналы основного усилителя 15, где происходит усиление сигналов и отсев из них высокочастотных шумов, после этого усиленные и отфильтрованные аналоговые сигналы поступают на соответствующие каналы многоканального АЦП 16, где выполняется преобразование этих сигналов в цифровую форму. Результирующие значения V_m (t_k) (в вольтах) передаются в компьютер 17 в моменты t_k = K · δ t, где K = 0... N-1, δ t - заданный шаг по времени, N = T/ δ t, T - продолжительность времени наблюдений, m = 1...M - номер датчика ИК-излучения (и номер канала АЦП, преобразовывающего и передающего его сигнал), М - общее число датчиков ИК-излучения в устройстве 1. Изменение напряженного состояния в зонах массива вблизи участков поверхности выработки или скважины, на которых измеряются изменения мощности потока излучения во времени, оцениваются изменения мощности потока излучения во времени, оцениваются по вариациям описывающих эти изменения функций V_m(t). Значения ΔV = ΔV_m оцениваются (фиг. 7) как "скачки" функции V_m(t) между последовательными минимумами и максимумами этой функции. Изменение за малый отрезок времени Δ t ≅ 1 ... 3 сек суммы нормальных напряжении Δπ_m действующих на том участке поверхности выработки или скважины, на который направлен соответствующий (с номером m) датчик излучения рассчитывается по формуле
Δπ_m(t) = (V_m(t+Δt)-V_m(t))/A = ΔV_m(t)/A.
Значение коэффициента A определяется либо расчетным путем по теплофизическим характеристикам породы и параметрам приемно-усилительной аппаратуры и АЦП, либо путем тарировки на основе данных опытов, в которых изменение напряжений, вызвавшее "скачок" Δ V_m(t), задается или определяется по данным независимых от ИК-измерений, но синхронных с ними тензометрических измерений.

Положительный аффект от использования изобретения заключается в увеличении точности и достоверности диагностики механических процессов, происходящих в массивах грунтов и горных пород.

Использование бесконтактных дистанционных оптических измерений интенсивности ИК-излучения вместо тензометрических, сейсмографических или акустико-эмиссионных измерений позволяет упростить измерения, сделать их более информативными и более универсальными в смысле проведения измерений при различных природных и техногенных воздействиях на массив. Наличие нескольких датчиков ИК-излучения в устройстве, т.е. возможность определения нескольких величин Δπ(t), относящихся к различным участкам поверхности выработки или скважины, но соответствующих одному и тому же моменту времени, позволяет восстановить в более полном виде картину произошедших в этот момент времени под влиянием одного и того же фактора изменений напряженного состояния массива.

Формула изобретения

1. Способ определения изменений напряженного состояния массива горных пород во времени, включающий образование выработки или скважины, определение изменений мощности инфракрасного (ИК) излучения с помощью помещенного в выработку или скважину датчика ИК-излучения и измерений параметров напряженного состояния окружающего массива, отличающийся тем, что в выработку или скважину помещают дополнительные датчики ИК-излучения, основной и дополнительные датчики направляют на фиксированные участки на поверхности выработки или скважины и измеряют изменения мощности потока ИК-излучения в этих фиксированных участках, сигналы с датчиком ИК-излучения передают на усиливающую, фильтрующую и запоминающую аппаратуру, строят графики путем обработки данных ИК-измерений и по ним восстанавливают эволюцию во времени параметров напряженного состояния в зонах поверхности вблизи этих участков, в частности фиксируют моменты изменений параметров напряженного состояния - суммы главных напряжений π и для каждой зоны наблюдений оценивают величины таких изменений в течение интервала времени (t,t+Δt) по формуле
Δπ(t) = (V(t+Δt)-V(t)/A = ΔV(t)/A,
где V(t) - запись во времени результатов измерений,
А - коэффициент, который определяется либо расчетным путем по теплофизическим характеристикам породы и параметрам используемой аппаратуры, либо на основе данных специальных тарировочных опытов.

2. Устройство для определения изменений напряженного состояния массива горных пород во времени, содержащее корпус и помещенный в нем датчик ИК-излучения, размещенный в торцевой части корпуса, отличающееся тем, что оно снабжено дополнительными датчиками ИК-излучения, также размещенными в корпусе, и соединенным с выходами основного и дополнительного датчиков многоканальным предусилителем и подключенными к его выходу посредством многоканального кабеля последовательно соединенными основным усилителем, многоканальным аналого-цифровым преобразователем и компьютером, при этом каждый датчик ИК-излучения выполнен в виде размещенного в своем корпусе объектива с приемным окном и первичного преобразователя ИК-излучения, а в корпусе устройства датчики ИК-излучения расположены так, что их объективы направлены наружу корпуса на фиксированные участки поверхности выработки или скважины, причем при использовании устройства в выработке его устанавливают на фиксирующую его положение подставку, а при измерениях в скважине положение устройства в сечении фиксируется приспособлением, задающим и фиксирующим азимутальную его ориентацию, причем объектив основного из датчиков ИК-излучения направлен на забой скважины, а дополнительных - на стенки скважины.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7