Устройство для регистрации электромагнитного излучения, возникающего при трещинообразовании горных пород

 

Изобретение может быть использовано в горной промышленности для контроля разрушения участков массива горных пород при изменении их напряженно-деформированного состояния. Оно также может использоваться для регистрации электромагнитного излучения (ЭМИ), возникающего при разрушении образцов горных пород в лабораторных условиях. Технический результат - увеличение чувствительности устройства за счет концентрации поля в пространстве измерений. Сущность изобретения: содержит ферритовый тороидальный сердечник с обмоткой и металлический экран, окружающий ее. Ферритовый тороидальный сердечник выполнен незамкнутым с помещенным в пространстве его выреза твердым диэлектриком с размещенной на нем и намотанной встречно обмотке ферритового тороидального сердечника дополнительной обмоткой, включенной последовательно с обмоткой ферритового тороидального сердечника. Шаг дополнительной обмотки переменный, меньший к краям, и соотношение части дополнительной обмотки с большим шагом к ее частям с меньшим шагом находится в пределах 1,5 ≅ ϕ/γ ≅ 2,5, где ϕ - угол, отсчитываемый в обе стороны от горизонтальной оси выреза до начала дополнительной обмотки с меньшим шагом; γ - угол, отсчитываемый от начала дополнительной обмотки с меньшим шагом до торцов сердечника. 1 з.п.ф-лы, 1 ил.

Предлагаемое изобретение относится к горному делу и может быть использовано для контроля разрушения участков массива горных пород при изменении их напряженно-деформированного состояния. Оно также может использоваться для регистрации электромагнитного излучения (ЭМИ), возникающего при разрушении породных образцов в лабораторных условиях.

Известно устройство для регистрации электромагнитного излучения, возникающего при трещинообразовании горных пород [патент РФ N 2085736, кл. G 01 V 3/10, опубл. 27.07.97 г. Бюл. N 21], содержащее ферритовый тороидальный сердечник, генераторную обмотку в виде навитого на сердечник одножильного экранированного провода и размещенную в ее зазоре измерительную обмотку. Устройство обеспечивает прием ЭМИ, однако недостатком его является низкая чувствительность вследствие сильного рассеивания поля в окружающем пространстве и слабой концентрации поля в пространстве измерений.

Известно устройство для регистрации электромагнитного излучения, возникающего при трещинообразовании [а. с. СССР N 1774303, кл. G 01 V 3/00, опубл. 07.11.92 г. Бюл. N 41], содержащее ферритовый сердечник с обмоткой, намотанной равномерно и помещенной в металлический экран. Ферритовый сердечник имеет форму тора, а экран охватывает обмотку частично. Устройство обеспечивает прием ЭМИ, однако недостатком также является низкая чувствительность вследствие высокой концентрации поля в ферритовом сердечнике и слабой концентрации поля в пространстве измерений.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявляемому техническому решению является устройство для регистрации электромагнитного излучения, возникающего при трещинообразовании горных пород [патент РФ N 2006884, кл. G 01 J 3/00, опубл. 30.01.94 г. Бюл. N 2], содержащее ферритовый тороидальный сердечник, обмотку, выполненную проводом на тороидальном сердечнике, с измерительной частью, экран, окружающий обмотку, раструб прямоугольного сечения, узкой стороной закрепленный на экране напротив измерительной части обмотки.

Недостатком данного устройства является также невысокая чувствительность вследствие неэффективного использования магнитного потока ферритового сердечника, что не позволяет принимать сигналы малых амплитуд из-за слабой концентрации поля в пространстве измерений и высокой его концентрации в ферритовом тороидальном сердечнике.

Техническая задача предлагаемого изобретения состоит в увеличении чувствительности устройства за счет концентрации поля в пространстве измерений.

Указанная задача достигается тем, что в устройстве для регистрации электромагнитного излучения, возникающего при трещинообразовании горных пород, содержащем ферритовый тороидальный сердечник с обмоткой и металлический экран, окружающий ее, согласно изобретению, ферритовый тороидальный сердечник выполнен незамкнутым с помещенным в пространстве его выреза твердым диэлектриком с размещенной на нем и намотанной встречно обмотке ферритового тороидального сердечника с переменным, меньшим к краям, шагом дополнительной обмоткой, включенной последовательно с обмоткой ферритового тороидального сердечника. Соотношение части дополнительной обмотки с большим шагом к ее частям с меньшим шагом находится в пределах 1,5 ≅ ϕ/γ ≅ 2,5, где ϕ - угол, отсчитываемый в обе стороны от горизонтальной оси выреза до начала дополнительной обмотки с меньшим шагом; γ - угол, отсчитываемый от начала дополнительной обмотки с меньшим шагом до торцов сердечника.

Выполнение ферритового тороидального сердечника не замкнутым позволяет сконцентрировать силовые линии напряженности магнитного поля между торцами ферритового тороидального сердечника, проходящие в нем, а введение дополнительной обмотки - вытеснить эти линии в пространство, где располагается объект (образец) измерений. Переменный шаг дополнительной обмотки, меньший к ее краям, позволяет сконцентрировать линии поля дополнительной обмотки для вытеснения поля обмотки ферритового тороидального сердечника в пространство для измерений. При этом соотношение части дополнительной обмотки с большим шагом к ее частям с меньшим шагом выбрано из условия максимальной концентрации поля на краях дополнительной обмотки, а дополнительная обмотка включена встречно обмотке ферритового тороидального сердечника для того, чтобы линии напряженностей полей обмоток имели противоположные направления.

Целесообразно отношение выреза в ферритовом тороидальном сердечнике к остальной его части определять из выражения 1/4 ≅ α/β ≅ 1/6, где α - угол выреза ферритового тороидального сердечника, измеряемый между торцами ферритового тороидального сердечника; β - угол между торцами невырезанной части ферритового тороидального сердечника.

Указанное соотношение выбрано из условия минимального рассеивания поля в окружающем пространстве выреза.

Сущность технического решения иллюстрируется примером конкретного исполнения и чертежом, на котором изображена схема устройства для регистрации электромагнитного излучения, возникающего при трещинообразовании горных пород. Оно содержит ферритовый тороидальный сердечник 1 с намотанной на нем обмоткой 2 и металлический экран 3, окружающий обмотку 2. Ферритовый тороидальный сердечник 1 выполнен незамкнутым с вырезом 4 и помещенным в пространство его выреза 4 твердым диэлектриком 5 с размещенной на нем и намотанной встречно обмотке 2 дополнительной обмоткой 6, имеющей части 7 и 8 соответственно с большим и меньшим шагом намотки и включенной последовательно с обмоткой 2.

Работа устройства иллюстрируется на примере контроля трещинообразования в массиве горных пород при ведении подземных работ. При высоких механических напряжениях в массиве пород наблюдается процесс трещинообразования и разрушения пород, сопровождающийся излучением электромагнитной энергии. Место возникновения интенсивного излучения может быть очагом опасного разрушения и способствовать созданию аварийной ситуации при ведении горных работ. Такой участок массива может стать очагом зарождения динамического явления в форме горного удара, приносящего значительный материальный и социальный ущерб. С помощью заявляемого устройства, имеющего высокую чувствительность и обладающего направленными свойствами, проводят замеры напряженности ЭМИ в процессе трещинообразования в породах. Процесс измерения осуществляют с использованием стандартных измерительных средств. Устройство располагают на некотором расстоянии от стенок выработки. При этом плоскость устройства располагают перпендикулярно плоскости измерения. По замерам интенсивности поля, выполняемым в разных направлениях, можно судить о направлении на очаг возможного разрушения.

Формула изобретения

1. Устройство для регистрации электромагнитного излучения, возникающего при трещинообразовании горных пород, содержащее ферритовый тороидальный сердечник с обмоткой и металлический экран, окружающий ее, отличающееся тем, что ферритовый тороидальный сердечник выполнен незамкнутым с помещенным в пространстве его выреза твердым диэлектриком с размещенной на нем и намотанной встречно обмотке ферритового тороидального сердечника с переменным меньшим к краям шагом дополнительной обмоткой, включенной последовательно с обмоткой ферритового тороидального сердечника, причем соотношение части дополниельной обмотки с большим шагом к ее частям с меньшим шагом находится в пределах 1,5 ≅ ϕ/γ ≅ 2,5, где ϕ - угол, отсчитываемый в обе стороны от горизонтальной оси выреза до начала дополнительной обмотки с меньшим шагом, γ - угол, отсчитываемый от начала дополнительной обмотки с меньшим шагом до торцов сердечника.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что отношение выреза в ферритовом тороидальном сердечнике к остальной его части определяется из выражения 1/4 ≅ α/β ≅ 1/6, где α - угол выреза ферритового тороидального сердечника, измеряемый между торцами ферритового тороидального сердечника; β - угол между торцами невырезанной части ферритового тороидального сердечника.

РИСУНКИ

Рисунок 1