Способ прогноза разрушения массива горных пород и устройство для его осуществления

Изобретение относится к горному делу и может быть использовано для прогноза разрушения массивов горных пород. Способ включает регистрацию сигналов ЭМИ, измерение их длительностей, регистрацию начала возникновения периодических низкочастотных колебаний сигналов ЭМИ и измерение длительностей их периодов. Одновременно с регистрацией сигналов ЭМИ регистрируют их спектрально-временные характеристики для участка массива, а одновременно с началом возникновения периодических низкочастотных колебаний сигналов ЭМИ определяют начальное, минимальное, значение f₁ верхней частоты спектра, при котором происходит начало смещения указанных характеристик в высокочастотную часть спектра. По началу смещения судят о начале нарушения сплошности участка. По одновременному последующему увеличению длительностей периодов низкочастотных колебаний и верхней частоты спектра до значений f₂, f₃,..., f_n-1, при которых продолжается указанное смещение, судят о развитии процесса нарушения сплошности. При достижении верхней частотой спектра при смещении конечного, максимального, значения f_n=(2÷2,45)f₁ судят о критическом состоянии сплошности участка, после которого наступает его разрушение. Устройство включает последовательно соединенные электромагнитный преобразователь-антенну, усилитель, ФНЧ, АЦП, устройство памяти и вычислитель верхней частоты спектра. Первый выход через ограничитель верхней частоты спектра снизу соединен со входом устройства ее отображения. Второй выход вычислителя подключен ко входу устройства сравнения значений f₁,..., f_n-1 верхней частоты спектра с ее значением f_n, выход которого соединен с индикатором сигнала об опасности. Изобретение направлено на повышение точности прогноза за счет дополнительной информации о состоянии массива перед разрушением и детализации процесса. 2 н.п. ф-лы, 3 ил.

 

Техническое решение относится к горному делу и может быть использовано для прогноза и контроля разрушения массивов горных пород при динамических проявлениях в массивах, опасных для жизни горнорабочих, при изменении его напряженно-деформированного состояния (НДС).

Известен способ прогноза разрушения массива горных пород по а.с. СССР №1562449, кл. Е 21 С 39/00, опубл. в БИ №17 за 1990 г., который включает регистрацию во времени эмиссионных импульсов в массиве, определение частоты их максимума спектральной плотности, одновременное измерение амплитуды максимальной спектральной составляющей, определение скорости изменения амплитуды по времени и по частоте и по одновременному уменьшению обеих скоростей определение начала разрушения массива, при этом в качестве эмиссионных импульсов регистрируют импульсы электромагнитного излучения (ЭМИ).

Недостатком этого способа является то, что количество регистрируемых импульсов ЭМИ не всегда является определяющей характеристикой при прогнозировании динамических проявлений в массивах, т.к. их возникновение может быть связано, в том числе, с разгрузкой напряжений на участке массива, что, в свою очередь, не влечет за собой катастрофических последствий, а наоборот, является профилактическим мероприятием для снятия повышенных напряжений в массиве и предотвращения разрушения. Другим недостатком является то, что хотя разгрузка массива и характеризуется повышенными амплитудами сигналов ЭМИ, это не является опасным с точки зрения обеспечения безопасности труда на подземных горных предприятиях, т.к. уровень напряжений в массиве находится под контролем служб предупреждения и прогноза динамических проявлений шахт и рудников, когда могут иметь место локальные контролируемые незначительные разрушения, не опасные для жизни горнорабочих.

Наиболее близким к предлагаемому способу по технической сущности и совокупности существенных признаков является способ прогноза разрушения массива горных пород по патенту РФ №2229597, кл. Е 21 С 39/00, опубл. в БИ №15 за 2004 г., включающий регистрацию сигналов ЭМИ, их длительностей, регистрацию начала возникновения периодических низкочастотных колебаний сигналов ЭМИ, по которым определяют начало потери сплошности массива, по увеличению длительностей периодов этих колебаний во времени и/или их амплитуд судят о развитии процесса потери сплошности массива, а о критическом состоянии потери сплошности массива, после которого наступает его разрушение, судят по установленной зависимости.

Недостатком этого способа является то, что изменение длительности сигнала ЭМИ зачастую не является фактором, характеризующим начало катастрофического разрушения, т.к. при возникновении микротрещины и сопутствующего ей сигнала ЭМИ на границе двух резко различных по своим физико-механическим свойствам горных пород, например мраморов и базальтов, сигнал ЭМИ может иметь параметры, отличные от параметров сигналов ЭМИ, возникающих в однородной среде (либо в мраморах, либо в базальтах) и иметь значительные длительности, хотя это и не связано с изменением НДС массива, а связано лишь с различием электрических характеристик пород, находящихся в контакте. Кроме того, при наличии различного рода включений, пустот, трещин и обводнений участков массива параметры сигналов ЭМИ вне зависимости от изменения НДС также могут существенно различаться между собой.

Известно устройство для обнаружения развивающихся дефектов по а.с. СССР №1128164, кл. G 01 N 29/04, опубл. в БИ №45/84 г., включающее канал приема и регистрации эмиссионных сигналов с последовательно включенными усилителем и регистратором.

Недостатками данного устройства являются следующие. Устройство содержит большое количество различного рода переключателей, что существенно усложняет его и тем самым снижает точность прогноза. Кроме того, регистрация аналогового сигнала не позволяет избежать температурного влияния и дрейфа нуля на результаты измерений и тем самым снижает точность результатов измерений, а в конечном счете - точность прогноза разрушения.

Наиболее близким к заявляемому устройству по технической сущности и совокупности существенных признаков является устройство для прогноза разрушения горных пород по патенту РФ №2137920, кл. Е 21 С 39/00, G 01 N 29/04, опубл. в БИ №26 за 1999 г., включающее электромагнитный преобразователь-антенну, последовательно включенные усилитель и регистратор, формирователь порогового напряжения, детектор, компаратор, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) и индикатор.

Недостатком данного устройства является следующее. Устройство предназначено для регистрации количества импульсов ЭМИ в единицу времени и не позволяет проводить анализ других параметров сигналов ЭМИ, что ограничивает его возможности, а следовательно, снижает точность прогноза разрушения.

Техническая задача - повышение точности прогноза разрушения массива горных пород за счет получения дополнительной информации о состоянии массива горных пород перед процессом его разрушения и детализации развития процесса.

Поставленная задача решается тем, что в способе прогноза разрушения массива горных пород, включающем регистрацию сигналов ЭМИ и измерение их длительностей, регистрацию начала возникновения периодических низкочастотных колебаний сигналов ЭМИ и измерение длительностей периодов указанных колебаний, согласно техническому решению одновременно с регистрацией сигналов ЭМИ регистрируют их спектрально-временные характеристики для этого участка массива горных пород, а одновременно с началом возникновения периодических низкочастотных колебаний сигналов ЭМИ определяют начальное, минимальное, значение f₁ верхней частоты спектра, при котором происходит начало смещения указанных спектрально-временных характеристик сигналов ЭМИ в высокочастотную часть спектра, по которому судят о начале нарушения сплошности этого участка массива, затем по одновременному последующему увеличению длительностей периодов низкочастотных колебаний сигналов ЭМИ и дальнейшему увеличению верхней частоты спектра до значений f₂, f_3,,..., f_n-1, при которых продолжается смещение указанных спектрально-временных характеристик сигналов ЭМИ в высокочастотную часть спектра, судят о развитии процесса нарушения сплошности участка массива, а при соотношении

f_n=(2÷2,45)f₁,

где f_n - конечное, максимальное, значение верхней частоты спектра, которого достигает спектрально-временная характеристика сигналов ЭМИ при своем смещении в высокочастотную часть спектра,

судят о критическом состоянии нарушения сплошности участка массива горных пород, после которого наступает его разрушение.

Регистрация одновременно с сигналами ЭМИ их спектрально-временных характеристик на этом участке массива горных пород (далее - участок массива) предоставляет дополнительную информацию об его состоянии. Определение (констатация) одновременно с началом возникновения периодических низкочастотных колебаний сигналов ЭМИ на этом участке массива начального, минимального, значения f₁ верхней частоты спектра, при котором происходит начало смещения указанных спектрально-временных характеристик сигналов ЭМИ в высокочастотную часть спектра, свидетельствует о том, что в массиве в зоне формирования магистральной трещины возникает значительное число мелких трещин, которые, возникая, разупрочняют массив, что предопределяет скорое разрушение этого участка. Одновременная регистрация последующего увеличения длительностей периодов низкочастотных колебаний сигналов ЭМИ и дальнейшего увеличения верхней частоты спектра до значений f₂, f₃ и т.д., при которых продолжается смещение указанных спектрально-временных характеристик сигналов ЭМИ в высокочастотную часть спектра, позволяет проследить развитие процесса разрушения, т.е. возникновение еще большего количества мелких трещин (размеры которых соответствуют высоким частотам) наряду с прорастанием магистральных (крупных) трещин. Это, в свою очередь, детализирует развитие продолжительного во времени процесса нарушения сплошности участка массива и конкретизирует переход от начала развития нарушения сплошности к моменту дальнейшего его развития, которое характеризуется накоплением повреждений участка массива и позволяет получить информацию о приближении разрушения. Накопление повреждений делает массив еще более раздробленным и, следовательно, еще более приближает процесс его разрушения. Дальнейшее увеличение верхней частоты спектра до значения f_n-1, при котором продолжается смещение указанных спектрально-временных характеристик сигналов ЭМИ в высокочастотную часть спектра, свидетельствует о том, что количество мелких трещин еще более возрастает, а при соотношении

f_n=(2÷2,45)f₁,

где f_n - конечное, максимальное, значение верхней частоты спектра, которого достигает спектрально-временная характеристика сигналов ЭМИ при своем смещении в высокочастотную часть спектра,

судят о критическом состоянии нарушения сплошности участка массива, после которого наступает его разрушение.

Следовательно, участок массива, разделенный магистральными трещинами и большим количеством мелких трещин, которые генерируют высокочастотные сигналы ЭМИ с возрастающими частотами, при соотношении f_n=(2÷2,45)f₁ достигает своего критического состояния. После превышения вышеприведенного соотношения происходит нарушение сплошности участка массива, заключающееся в разделении его на отдельные части. Указанная совокупность признаков позволяет определить более точно начало разрушения участка массива на отдельные части и таким образом решить поставленную задачу.

Поставленная задача решается также тем, что устройство для прогноза разрушения массива горных пород, включающее последовательно соединенные электромагнитный преобразователь-антенну и усилитель, АЦП и индикатор сигнала об опасности, согласно техническому решению снабжено фильтром нижних частот (ФНЧ), последовательно соединенными устройством памяти и вычислителем верхней частоты спектра, устройством сравнения значений f₁,..., f_n-1 верхней частоты спектра с ее конечным, максимальным, значением f_n и последовательно соединенными ограничителем верхней частоты спектра снизу и устройством ее отображения. Выход усилителя соединен с входом ФНЧ, выход которого подключен ко входу АЦП, а выход последнего соединен со входом устройства памяти. Первый выход указанного вычислителя соединен с входом упомянутого ограничителя, а второй выход этого вычислителя - с входом устройства сравнения значений f₁,..., f_n-1 верхней частоты спектра с ее конечным, максимальным, значением f_n, выход которого подключен к индикатору сигнала об опасности.

Введение ФНЧ убирает паразитные каналы приема сигнала, а введение устройства памяти и вычислителя верхней частоты спектра позволяет запоминать сигнал и передавать его в вычислитель верхней частоты спектра, где эта частота вычисляется. Сигнал с указанного вычислителя подается на устройство сравнения значений f₁,..., f_n-1 верхней частоты спектра с ее конечным, максимальным, значением f_n, где значения f₁,..., f_n-1 верхней частоты спектра сравниваются с ее значением f_n. Нарастание значений f₁,..., f_n-1 верхней частоты спектра и сравнение их с f_n позволяет постоянно отслеживать их изменение и смещение в высокочастотную область спектра. При достижении конечного, максимального, значения f_n верхней частоты спектра выдается сигнал об опасности, что позволяет обеспечить точность прогноза приближения разрушения. Одновременно сигнал с указанного вычислителя подается на ограничитель верхней частоты спектра снизу, а затем на устройство ее отображения, что позволяет «обнулять» незначащие частоты спектра. Делается это для того, чтобы убрать незначащие значения частот спектра и сделать более воспринимаемыми оператором изменение и смещение верхней частоты спектра в высокочастотную часть спектра. Таким образом, указанная совокупность признаков, обеспечивающая слежение за процессом по двум каналам, позволяет более точно определить приближение момента разрушения и тем самым решить поставленную задачу.

Сущность технического решения поясняется примером реализации способа прогноза разрушения массива горных пород, устройства для его осуществления и чертежами фиг.1 и 2, на которых представлены спектрально-временные характеристики (спектрограммы) сигналов ЭМИ на различных стадиях нагружения участка массива: на фиг.1 представлены спектрально-временные характеристики до стадии нарушения сплошности участка массива, на фиг.2 - то же, со стадией нарушения сплошности участка массива (по оси Х откладывают моменты времени от начала регистрации нагружения до разрушения; по оси Y - значения частот, на которых регистрируют амплитуды ЭМИ на различных этапах нагружения, по оси Z откладывают значения амплитуд); на фиг.3 изображена структурная схема предлагаемого устройства для прогноза разрушения массива горных пород (далее - устройство).

Предлагаемый способ реализуют следующим образом. В подземной горной выработке на участке массива, где предполагается проводить горные работы, регистрируют сигналы ЭМИ и измеряют их длительности, по которым судят о состоянии участка массива. Например, сигналы ЭМИ возникают через промежуток времени 1 мин. Это свидетельствует о том, что трещинообразование происходит достаточно медленно, и участок массива находится в равновесном состоянии. Одновременно с регистрацией сигналов ЭМИ регистрируют их спектрально-временные характеристики для этого участка массива, верхняя частота спектра которых простирается, например, до частот 60÷65 кГц. Затем проходят, например, встречную выработку, под действием чего происходит перераспределение механических напряжений на участке массива и возникает интенсивное трещинообразование, приближающее исследуемый участок массива к разрушению. При этом структура сигналов ЭМИ изменяется, и начинают возникать периодические низкочастотные колебания сигналов ЭМИ, начало возникновения которых регистрируют и измеряют длительности периодов этих колебаний. Они принимают, например, значения 0,5 ÷ 1 мс, по которым судят о начале нарушения сплошности этого участка массива. Одновременно с началом возникновения периодических низкочастотных колебаний сигналов ЭМИ определяют начальное, минимальное, значение f₁ верхней частоты спектра, при котором происходит начало смещения указанных спектрально-временных характеристик сигналов ЭМИ в высокочастотную часть спектра и которое принимает, например, значение 100 кГц (см. фиг.1, момент времени 52). По этому начальному, минимальному, значению f₁ верхней частоты спектра судят о начале нарушения сплошности этого участка массива.

После этого, при последующем, еще большем нагружении участка массива в нем возникает еще большее количество различных трещин, в том числе и достаточно малых размеров, которым соответствуют еще большие значения f₂, f₃,..., f_n-1 верхней частоты спектра, достигающие, например, значений f₂=120, f₃=140 и f₄=160 кГц, при которых продолжается смещение спектрально-временных характеристик сигналов ЭМИ в высокочастотную часть спектра, свидетельствующее о том, что процесс разрушения из стадии начала нарушения сплошности переходит в стадию развития нарушения сплошности (см. фиг.1, моменты времени 56, 57, 59). Далее, при последующем, еще большем нагружении участка массива количество трещин еще более возрастает, и процесс из стадии развития нарушения сплошности приближается к критической. При этом спектрально-временные характеристики сигналов ЭМИ уже регистрируют на частотах f₅=180, f₆=200... и f_n-1=220 кГц (см. фиг.1, моменты времени 60, 61, 62), достигая критических значений при соотношении f_n=(2÷2,45)f₁, после чего наступает разрушение участка массива, т.е разделение его на отдельные части (фрагменты). На фиг.2 изображено следующее. Наряду с началом (момент времени 52) и развитием (моменты времени 56, 57, 59, 60) процесса нарушения сплошности зарегистрирован и процесс критического состояния массива (моменты времени 61, 62), после которого наступает его разрушение (момент времени 63), когда участок массива уже не существует как одно целое. Критическое состояние иллюстрирует достижение конечного, максимального, значения f_n верхней частоты спектра, например 200÷245 кГц, спектрально-временной характеристикой сигналов ЭМИ при ее смещении в высокочастотную часть спектра.

Таким образом, совокупность перечисленных операций позволяет производить более точный прогноз разрушения массива горных пород и, тем самым, решить поставленную задачу.

Устройство включает последовательно соединенные электромагнитный преобразователь-антенну 1, усилитель 2, ФНЧ 3, АЦП, устройство 5 памяти и вычислитель 6 верхней частоты спектра (далее - вычислитель 6), первый выход которого подключен к входу ограничителя 7 верхней частоты спектра снизу (далее - ограничитель 7 снизу), а выход последнего соединен с входом устройства 8 отображения верхней частоты спектра (далее устройство 8 отображения). Второй выход вычислителя 6 подключен к входу устройства 9 сравнения значений f₁,..., f_n-1 верхней частоты спектра с ее конечным, максимальным, значением f_n (далее - устройство 9 сравнения), выход которого соединен со входом индикатора 10 сигнала об опасности.

Предлагаемое устройство работает следующим образом. Электромагнитный преобразователь-антенна 1 размещается в исследуемой зоне. Сигнал с выхода электромагнитного преобразователя-антенны 1 подается последовательно на усилитель 2, ФНЧ 3, АЦП 4, в устройство 5 памяти и на вход вычислителя 6. Сигнал с выхода вычислителя 6 подается одновременно на входы устройства 9 сравнения и ограничителя 7 снизу. Сигнал с выхода устройства 9 сравнения подается на вход индикатора 10 сигнала об опасности, а с выхода ограничителя 7 снизу - на вход устройства 8 отображения для восприятия оператором.

В отсутствие процесса трещинообразования и соответствующего ему сигнала ЭМИ напряжение, поступающее с выхода электромагнитного преобразователя-антенны 1, подаваемое через усилитель 2 и ФНЧ 3, преобразуется в АЦП 4 и поступает в устройство 5 памяти, а затем на вход вычислителя 6, где происходят вычисление верхней частоты спектра и последующая передача сигнала на устройство 9 сравнения, где и фиксируется как начальное, минимальное, значение f₁ верхней частоты спектра.

При возникновении процесса трещинообразования сигналы ЭМИ, поступающие в вычислитель 6, преобразуются в спектральную характеристику сигналов ЭМИ, отображающую процесс трещинообразования в массиве горных пород. По мере увеличения нагрузки на участок массива и приближения его к разрушению в массиве образуется все большее количество трещин, в том числе и мелких, что изменяет спектральную характеристику в вычислителе 6, которая передается на устройство 9 сравнения и из которой следует, что последующая верхняя частота спектра сдвигается в область более высоких частот. Последующее увеличение трещинообразования и достижение верхней частотой спектра в устройстве 9 сравнения конечного, максимального, значения f_n предопределяет процесс приближения разрушения массива. Эта информация передается далее на индикатор 10 сигнала об опасности. Одновременно с выхода вычислителя 6 эта же информация подается на ограничитель 7 снизу, чтобы убрать незначащие частоты спектра, а затем передается на устройство 8 отображения для восприятия оператором. Таким образом, происходит слежение по двум каналам за процессом увеличения трещинообразования и приближения процесса разрушения массива горных пород.

1. Способ прогноза разрушения массива горных пород, включающий регистрацию сигналов электромагнитного излучения и измерение их длительностей, регистрацию начала возникновения периодических низкочастотных колебаний сигналов электромагнитного излучения и измерение длительностей периодов указанных колебаний, отличающийся тем, что одновременно с регистрацией сигналов электромагнитного излучения регистрируют их спектрально-временные характеристики для этого участка массива горных пород, а одновременно с началом возникновения периодических низкочастотных колебаний сигналов электромагнитного излучения определяют начальное минимальное значение f₁ верхней частоты спектра, при котором происходит начало смещения указанных спектрально-временных характеристик сигналов электромагнитного излучения в высокочастотную часть спектра, по которому судят о начале нарушения сплошности этого участка массива, затем по одновременному последующему увеличению длительностей периодов низкочастотных колебаний сигналов электромагнитного излучения и дальнейшему увеличению верхней частоты спектра до значений f₂, f_3,,..., f_n-1, при которых продолжается смещение указанных спектрально-временных характеристик сигналов электромагнитного излучения в высокочастотную часть спектра, судят о развитии процесса нарушения сплошности участка массива, а при соотношении

f_n=(2÷2,45)f₁,

где f_n - конечное максимальное значение верхней частоты спектра, которого достигает спектрально-временная характеристика сигналов электромагнитного излучения при своем смещении в высокочастотную часть спектра, судят о критическом состоянии нарушения сплошности участка массива горных пород, после которого наступает его разрушение.

2. Устройство для прогноза разрушения массива горных пород, включающее последовательно соединенные электромагнитный преобразователь-антенну и усилитель, аналого-цифровой преобразователь и индикатор сигнала об опасности, отличающееся тем, что оно снабжено фильтром нижних частот, последовательно соединенными устройством памяти и вычислителем верхней частоты спектра, устройством сравнения значений f₁,...., f_n-1 верхней частоты спектра с ее конечным максимальным значением f_n и последовательно соединенными ограничителем верхней частоты спектра снизу и устройством ее отображения, причем выход усилителя соединен со входом фильтра нижних частот, выход которого подключен ко входу аналого-цифрового преобразователя, а выход последнего соединен со входом устройства памяти, при этом первый выход указанного вычислителя соединен со входом упомянутого ограничителя, а второй выход этого вычислителя - со входом устройства сравнения значений f₁,..., f_n-1 верхней частоты спектра с ее конечным максимальным значением f_n, выход которого подключен к индикатору сигнала об опасности.