Способ определения изменения напряженного состояния горного массива в окрестностях выработки

Изобретение относится к горному делу и предназначено для определения изменения напряженного состояния горного массива. Технический результат направлен на повышение длительности определения изменений напряженного состояния горного массива в окрестностях выработок в ходе непрерывных мониторинговых акустико-эмиссионных измерений перемещения вглубь массива зоны опорного давления. Способ включает размещение в скважине полого цилиндрического звукопровода, прием и анализ параметров распространяющихся в нем ультразвуковых сигналов с помощью установленных на его торцевых поверхностях преобразователей акустической эмиссии. Предварительно на звукопроводе соосно с ним и на некотором расстоянии друг от друга закрепляют не менее двух колец из текстолита, внутренний диаметр которых совпадает с диаметром звукопровода, а внешний - с диаметром скважины. Деформация скважины, вызванная смещением зоны опорного давления, приводит к деформации соответствующих текстолитовых колец и, соответственно, росту акустико-эмиссионной активности в этих дисках. Измеряют разность времен прихода на приемные преобразователи тех сигналов акустической эмиссии, амплитуда которых максимальна из всех приходящих сигналов, причем о глубине зоны опорного давления и изменении ее во времени судят по указанной выше разности времен, известной длине звукопровода и измеренной скорости распространения ультразвука в нем. 4 ил.

 

Изобретение относится к горному делу и предназначено для определения изменения напряженного состояния массива горных пород в окрестностях горной выработки.

Известен способ определения напряженного состояния массива горных пород, включающий прозвучивание ультразвуковыми импульсами участков массива, расположенных между параллельными скважинами на разной их глубине, измерение длительности переднего фронта каждого из принятых ультразвуковых импульсов, по относительному изменению которой с глубиной судят о распределении напряжения в окрестностях горной выработки, при этом глубина, на которой отмечен минимум длительности переднего фронта ультразвукового импульса, соответствует максимуму зоны опорного давления [1].

Недостатком известного способа является низкая точность определения смещения зоны опорного давления вглубь массива при разрушении его приконтурной области. Действительно, для такого определения необходимо периодическое многократное прозвучивание участков массива между параллельными скважинами по их глубине, что сопровождается неизбежным изменением контактных условий скважинных акустических преобразователей с массивом. Это, в свою очередь, может привести к изменению длительности переднего фронта ультразвукового импульса даже большему, чем влияние непосредственно напряженного состояния.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является способ определения изменения напряженного состояния горного массива в окрестностях выработки, включающий размещение в пройденной от контура выработки измерительной скважине цилиндрического звукопровода с установленными по его длине на некотором расстоянии друг от друга двух или более текстолитовых колец, внутренний диаметр которых совпадает с диаметром звукопровода, а внешний - с диаметром скважины, прием акустическим преобразователем, закрепленным на торцевой поверхности звукопровода, распространяющихся в нем сигналов акустической эмиссии, возникающих в кольцах из текстолита [2].

В указанном способе каждое из текстолитовых колец подвергают предварительному механическому нагружению в одинаковом и совпадающем с диаметром направлении, а об изменении напряженного состояния приконтурного массива судят по скачкообразным увеличениям крутизны нарастания суммарного счета принимаемых акустическим преобразователем сигналов акустической эмиссии.

Недостатком известного способа является невозможность его использования при длительных мониторинговых наблюдениях за изменениями напряженного состояния в окрестности горной выработки. Это связано с тем, что в его основе лежит акустико-эмиссионный эффект памяти, который проявляется в текстолитовых кольцах в течение интервала времени, не превышающего 30 суток. Следовательно, именно этим сроком ограничивается возможность определения изменения напряженного состояния горного массива. На практике же изменение напряжений в окрестностях горных выработок по мере их разрушения и потери устойчивости может происходить в течение многих месяцев и даже лет.

В настоящей заявке решается задача создания способа, обеспечивающего повышение длительности определения изменений напряженного состояния горного массива в окрестностях выработок в ходе непрерывных мониторинговых акустико-эмиссионных измерений перемещения вглубь массива зоны опорного давления.

Для решения поставленной задачи в способе определения изменения напряженного состояния горного массива в окрестностях выработки, включающем размещение в пройденной от контура выработки измерительной скважине цилиндрического звукопровода с установленном по его длине на некотором расстоянии друг от друга двумя и более текстолитовыми кольцами, внутренний диаметр которых совпадает с диаметром звукопровода, а внешний - с диаметром скважины, прием акустическим преобразователем, закрепленным на торцевой поверхности звукопровода, распространяющихся в нем сигналов акустической эмиссии, возникающих в кольцах из текстолита, используют в качестве звукопровода трубу заданной длины, в стенках которой предварительно измеряют скорость распространения ультразвуковых колебаний, сигналы акустической эмиссии дополнительно принимают установленным на противоположной первому преобразователю торцевой поверхности звукопровода вторым акустическим преобразователем, электрический сигнал с которого снимают с помощью кабеля, размещенного внутри звукопровода, измеряют разность времен прихода на приемные преобразователи тех сигналов акустической эмиссии, амплитуда которых максимальна из всех приходящих сигналов, причем о глубине зоны опорного давления и изменении ее во времени судят по указанной выше разности времен, известной длине звукопровода и измеренной скорости распространения ультразвука в нем.

Предлагаемый способ базируется на установленной экспериментально высокой акустико-эмиссионой тензочувствительности текстолита, при деформировании которого возникающая акустическая эмиссия характеризуется высокими значениями амплитуды. Причем коэффициент тензочувствительности текстолита нелинейно увеличивается с увеличением испытываемых им деформаций, что позволяет выделить тот из расположенных вдоль контрольной скважины дисков из текстолита, который в данной момент находится в зоне опорного давления, т.е. испытывает максимальные деформации.

Способ определения изменения напряженного состояния горного массива в окрестностях выработки иллюстрируется фиг.1, фиг.2, фиг.3 и фиг.4, где на фиг.1 представлена схема проведения акустико-эмиссионных измерений в контрольной скважине, на фиг.2, фиг.3 и фиг.4 - амплитудные значения сигналов акустической эмиссии, возникающих в текстолитовых кольцах в моменты времени t1, t2>t1 и t3>t2 соответственно.

Схема, представленная на фиг.1 включает измерительную скважину 1, в которой размещена выполняющая функции звукопровода труба 2 длиной lT, изготовленная, например, из стали, текстолитовые кольца 3, 4, 5, приемные акустические преобразователи 6 и 7, которые с помощью электрических кабелей 8 и 9 связаны с аппаратурой измерения параметров акустической эмиссии (на фиг.1 условно не показана).

На фиг.2 представлены амплитудные значения сигналов 10, 11 и 12 акустической эмиссии, возникающих в текстолитовых кольцах 3, 4 и 5 соответственно в фиксированный момент времени t1, когда зона опорного давления в приконтурном массиве расположена на глубине l1 размещения текстолитового кольца 3.

На фиг.3 представлены амплитудные значения сигналов 13, 14 и 15 акустической эмиссии, возникающих в текстолитовых кольцах 4, 3 и 5 соответственно в фиксированный момент времени t2>t1, когда зона опорного давления в приконтурном массиве сместилась на глубину l2 размещения текстолитового кольца 4.

На фиг.4 представлены амплитудные значения сигналов 16, 17 и 18 акустической эмиссии, возникающих в текстолитовых кольцах 5, 4 и 3 соответственно в фиксированный момент времени t1>t2, когда зона опорного давления в приконтурном массиве расположена на глубине l3 размещения текстолитового кольца 5.

Способ определения изменений напряженного состояния горного массива в окрестностях выработки осуществляют следующим образом. В стенках выполненного в виде трубы длинной lT металлического звукопровода 2 измеряют скорость ν распространения ультразвуковых колебаний. Затем, на звукопроводе 2 на некотором расстоянии друг от друга закрепляют текстолитовые кольца 3, 4, 5, общее число которых может составлять несколько десятков и зависит от максимальной глубины, на которую необходимо осуществлять контроль смещения зоны опорного давления. Причем между текстолитовыми кольцами 3, 4, 5 и звукопроводом 2 обеспечивают надежный акустический контакт, например, за счет клеевого соединения. На противоположных торцевых поверхностях звукопровода 2 закрепляют с использованием клеевого соединения, обеспечивающего надежный контакт, акустические преобразователи 6 и 7. При этом акустический преобразователь 6 подключают с помощью электрического кабеля 8 к одному из входов многоканального акустико-эмиссионного измерительного комплекса (на фиг.1 условно не показан), а акустический преобразователь 7 с помощью электрического кабеля 9, проходящего внутри звукопровода 2, - ко второму входу многоканального акустико-эмиссионного измерительного комплекса. В качестве последнего может быть использован, например, серийно выпускаемый комплекс A-Line 32D. Далее звукопровод 2 с текстолитовыми кольцами 3, 4, 5 и приемными акустическими преобразователями 6 и 7 размещают в измерительной скважине 1 таким образом, чтобы одна из торцевых поверхностей звукопровода совпадала с плоскостью выработки, в которой скважина 1 пройдена. Под действием напряжений в окрестностях выработки измерительная скважина 1 деформируется, причем максимально в зоне опорного давления. Так, например, если в момент времени t1 положение зоны опорного давления находится на глубине l1, где размещается текстолитовое кольцо 3, то именно это кольцо будет испытывать максимальные деформации. В результате в текстолитовом кольце 3 будут возникать сигналы акустической эмиссии максимальной амплитуды 10, как это показано на фиг.2. По мере удаления от зоны опорного давления вглубь массива и перехода к зоне естественных напряжений величина последних уменьшается. Соответственно, в меньшей степени деформируется измерительная скважина на глубине l2>l1 где расположено текстолитовое кольцо 4, в котором будут возникать сигналы акустической эмиссии с амплитудой 11, меньшей, чем амплитуда сигналов акустической эмиссии от текстолитового кольца 3. Аналогично амплитуда 12 сигналов акустической эмиссии от текстолитового кольца 5, расположенного на глубине l3>l2 измерительной скважины 1, будет меньше амплитуды 11.

По мере увеличения нарушенности пород приконтурного массива под влиянием природных и техногенных факторов (например, выветривания) зона опорного давления будет смещаться вглубь массива. При этом в некоторый момент времени t2>t1 зона опорного давления достигнет глубины l2, на которой размещается текстолитовое кольцо 4. Поскольку текстолитовое кольцо 4 станет испытывать максимальные относительно колец 3 и 5 деформации со стороны скважины 1, то именно в нем возникнут сигналы акустической эмиссии с амплитудой 13, которая будет превышать амплитуды 14 и 15 сигналов акустической эмиссии, возникающие в кольцах 3 и 5 (фиг.3).

При дальнейшем разрушении пород приконтурного массива в момент времени t3>t2 зона опорного давления сместиться на расстояние t3>t2 и, как следствие, максимальные деформации будет испытывать текстолитовое кольцо 5, которое будет генерировать представленные на фиг.4 сигналы акустической эмиссии с амплитудой 16, которая будет превышать амплитуды 17 и 18 сигналов акустической эмиссии, возникающих в текстолитовых кольцах 3 и 4.

Сигналы акустической эмиссии, возникающие в текстолитовых кольцах 3, 4, 5, через звукопровод 2 поступают на акустические преобразователи 6 и 7 и далее по соответствующим кабелям 8 и 9 на раздельные входы акустико-эмиссионного измерительного комплекса, порог срабатывания которого настроен на максимальные амплитуды указанных сигналов. Таким образом, акустико-эмиссионный измерительный комплекс принимает сигналы акустической эмиссии только того из текстолитовых колец, который в данный момент времени находится ближе всего к зоне опорного давления, генерируя, соответственно, сигнал с максимальной амплитудой. Далее, используя акустико-эмиссионный измерительный комплекс, измеряют разность Δt времен прихода указанного сигнала на акустические преобразователи 6 и 7, а расстояние L от контура выработки до местоположения зоны опорного давления определяют по формуле

L = l T Δ t ν 2 .

При этом, если при длительных мониторинговых измерениях величина L остается постоянной, то это свидетельствует о неизменности напряженно деформированного состояния массива горных пород в окрестностях горной выработки. Если же величина L со временем возрастает, то это свидетельствует о смещении зоны опорного давления вглубь массива, т.е. изменении его напряженно-деформированного состояния.

Описанный способ испытывался в натурных условиях при подземной отработке Соликамского калийного месторождения в зоне ведения очистных работ. В измерительный шпур, диаметром 42 мм, пробуренный перпендикулярно оси горной выработки в ленточном целике, помещали полый стальной звукопровод внешним диаметром 10 мм, внутренним 6 мм и длиной 2000 мм с закрепленными на нем на расстоянии 10 см друг от друга тремя текстолитовыми кольцами внутренним диаметром 10 мм, внешним 42 мм и толщиной 12 мм. Перед размещением звукопровода в шпуре на его торцевых поверхностях закрепляли преобразователи акустической эмиссии GT-200, подключаемые через предусилители к акустико-эмиссионному измерительному комплексу A-Line 32D. Измерения проводились в мониторинговом режиме на протяжении полутора месяцев, при этом смещение зоны опорного давления вглубь целика происходило под влиянием перераспределения горного давления в результате перемещения очистного забоя в направлении от зоны проведения измерений вглубь массива. В процессе измерений комплекс A-Line 32D производил идентификацию конкретного текстолитового кольца, являющегося источником акустической эмиссии максимальной амплитуды в автоматизированном режиме в соответствии с описанным выше алгоритмом. Смещение зоны опорного давления при этом было зафиксировано от ближайшего к устью скважины диска, находящегося на расстоянии 1 м до дальнего от устья скважины диска на глубине 1,2 м. Указанное перемещение зоны опорного давления было подтверждено измерениями, произведенными методом ультразвукового прозвучивания.

Таким образом, предложенный способ позволяет решить задачу повышения длительности определения изменения напряженного состояния горного массива, выражающегося в смещении зоны опорного давления вглубь массива.

Источники, принятые во внимание при составлении заявки на изобретение

1. Авторское свидетельство СССР №1149010, кл. E21C 39/00, опубл. в БИ №13 от 07.04.85 г.

2. Способ определения изменения напряженного состояния горного массива: заявка 2011147713/03 (071550), Рос. Федерация: МПК E21C 39/00 / Шкуратник В.Л., Николенко П.В., Корчак А.В. (Рос.Федерация), заявитель ФГБОУ ВПО МГГУ; заявл. 24.11.2011; приоритет 24.11.2011 (Решение о выдачи патента на изобретение от 04.02.2013).

Способ определения изменения напряженного состояния массива в окрестностях выработки, включающий размещение в пройденной от контура выработки измерительной скважине цилиндрического звукопровода с установленными по его длине на некотором расстоянии друг от друга двумя и более текстолитовыми кольцами, внутренний диаметр которых совпадает с диаметром звукопровода, а внешний - с диаметром скважины, прием акустическим преобразователем, закрепленным на торцевой поверхности звукопровода, распространяющихся в нем сигналов акустической эмиссии, возникающих в кольцах из текстолита, отличающийся тем, что используют в качестве звукопровода трубу заданной длины, в стенках которой предварительно измеряют скорость распространения ультразвуковых колебаний, сигналы акустической эмиссии дополнительно принимают установленным на противоположной первому преобразователю торцевой поверхности звукопровода вторым акустическим преобразователем, электрический сигнал с которого снимают с помощью кабеля, размещенного внутри звукопровода, измеряют разность времен прихода на приемные преобразователи тех сигналов акустической эмиссии, амплитуда которых максимальна из всех приходящих сигналов, причем о глубине зоны опорного давления и изменении ее во времени судят по указанной выше разности времен, известной длине звукопровода и измеренной скорости распространения ультразвука в нем.



 

Похожие патенты:

Использование: для акустико-эмиссионного контроля качества сварных стыков рельсов. Сущность изобретения заключается в том, что производят сварку стыка, обрубку грата, регистрируют сигналы акустической эмиссии при остывании сварного шва, измеряют скорость счета сигналов акустической эмиссии, разбивают время контроля на интервалы, по превышению скорости счета сигналов акустической эмиссии порогового значения хотя бы в одном из интервалов судят о качестве сварного шва, при этом дополнительно определяют медиану энергии сигналов акустической эмиссии, задают пороговые величины по средним значениям скорости счета и медианы энергии локализованных сигналов акустической эмиссии в двух равных интервалах времени при остывании сварного шва и при превышении скорости счета и медианы энергии сигналов их пороговых значений на любом из интервалов сварной стык бракуют.

Использование: для контроля дефектности сляба. Сущность изобретения заключается в том, что выполняют установку датчиков акустической эмиссии на поверхности холодного сляба в порядке, обеспечивающем контроль всего материала сляба, механическое нагружение сляба за счет использования собственного веса сляба до напряжений от 20 до 80% предела текучести материала сляба, выдержку под нагрузкой не менее 1 мин, регистрацию сигналов акустической эмиссии и их обработку, определение координат источников акустической эмиссии и определение возможности дальнейшего использования сляба в производстве горячекатаной полосы путем сравнения диагностического параметра WАЭ с допустимым значением диагностического параметра [WАЭ] и при WАЭ>[WАЭ] сляб считают непригодным для дальнейшей прокатки.

Использование: для оперативного определения качества микроструктуры титанового сплава упругого элемента. Сущность изобретения заключается в том, что выполняют более одного нагружения исследуемого упругого элемента нагрузкой до максимальной деформации с регистрацией сигналов акустической эмиссии при каждом нагружении.

Использование: при акустико-эмиссионной диагностике материалов и конструкций. Сущность изобретения заключается в том, что на контролируемом изделии устанавливают два преобразователя акустической эмиссии, определяют закон затухания звука, принимают сигналы акустической эмиссии, генерируемые дефектом изделия в процессе эксплуатации или нагружения, регистрируют моды волн Лэмба в виде волнового пакета, получают частотно-временную зависимость на спектрограммах, выделяют энергетические максимумы антисимметричных и симметричных мод, по разнице во времени прихода энергетических максимумов на выбранных частотах определяют расстояние между преобразователями и источником акустической эмиссии, затем, используя ранее установленный закон затухания, рассчитывают координаты дефекта изделия.

Изобретение относится к методам неразрушающего контроля, а именно к виброакустическим методам, и может найти применение для физического контроля железобетонных опор со стержневой напрягаемой арматурой.

Использование: для выявления шумоподобных источников акустической эмиссии во время диагностирования, мониторинга, оценки состояния и ресурса объектов контроля с применением локационных методов акустической эмиссии.

Использование: для исследования деформации и напряжений в хрупких тензоиндикаторах. Сущность: что проводят акустико-эмиссионнные измерения сигналов образования трещин в хрупком тензопокрытии, при этом дополнительно измеряют концентрацию аэрозолей в приповерхностном слое хрупкого тензопокрытия, при этом при скорости изменения нагрузки до 0,1 кН/с с учетом 30-секундной поправки на задержку регистрации диагностируют процесс разрушения оксидной пленки тензоиндикатора и материала подложки.

Использование: для неразрушающего контроля технического состояния промышленных объектов. Сущность: заключается в том, что преобразователь акустической эмиссии содержит корпус и установленный в нем пьезоэлемент с протектором, а также, по меньшей мере, один пьезотрансформатор, соединенный последовательно с пьезоэлементом.

Использование: для определения координат источника акустической эмиссии. Сущность: заключается в том, что на контролируемом изделии на некотором расстоянии друг от друга устанавливают два преобразователя акустической эмиссии, изделие нагружают, принимают сигналы акустической эмиссии, генерируемые дефектом изделия, регистрируют моды волн Лэмба в виде волнового пакета, после представления которого частотно-временной зависимостью на спектрограммах выделяют энергетические максимумы антисимметричных и симметричных мод, по разнице во времени прихода энергетических максимумов на выбранных частотах определяют расстояния между преобразователем и источником акустической эмиссии, после чего по полученным результатам рассчитывают координаты дефекта изделия.

Изобретение относится к области методов контроля качества сталей и сплавов. Технический результат - повышение точности измерений.

Изобретение относится к лабораторному моделированию в геофизике с применением электрогидравлического, программно управляемого пресса и может быть использовано для исследований процессов разрушения горных пород с целью отработки методик и алгоритмов прогнозирования сейсмической опасности в природных массивах.

Изобретение относится к исследованию механических свойств горных пород. Задачей изобретения является упрощение конструкции устройства без ухудшения его характеристик, с возможностью реализации устройства на базе токарного станка с незначительной переделкой.

Изобретение относится к горному делу и может быть использовано при текущем прогнозе выбросоопасности угольных пластов. Техническим результатом изобретения является повышение надежности определения выбросоопасных зон в угольных пластах.

Изобретение относится к горному делу и может быть использовано для определения газоносности пласта, динамики давления и температуры выделяющегося из угля газа в изолированном объеме при различных значениях остаточной газоносности и сорбционной метаноемкости.

Изобретение относится к способу и устройству для повышения добычи в месторождении, содержащем породу, которая включает в себя по меньшей мере один раскрываемый путем размельчения породы минерал ценного материала и по меньшей мере один другой минерал.

Изобретение относится к горному делу, используется для прогноза и контроля разрушения массивов горных пород при изменении их напряженно-деформированного состояния.

Изобретение относится к механическим испытаниям горных пород и материалов, имеющих хрупкий характер разрушения, и может быть использовано при инженерно-геологических изысканиях.

Изобретение относится к горному делу, а именно к буровой технике, и предназначено для исследования режимов бурения горных пород. Техническим результатом является повышение точности измерения режимных параметров бурения за счет возможности независимого приложения к отрезку буровой штанги с буровым инструментом крутящего момента, усилия подачи, импульсов крутящего момента и импульсов осевого усилия.

Изобретение относится к горному делу и может быть использовано для повышения эффективности увлажнения краевых зон угольных пластов в целях борьбы с внезапными выбросами угля и газа путем оперативного и надежного определения влажности угольного пласта при увлажнении.

Изобретение относится к горному делу, в частности к способам определения трещиноватости горных пород. Технической результат направлен на определение недостающей системы трещин, находящейся в глубине массива горных пород.

Изобретение относится к горной промышленности и предназначено для определения сопротивляемости угля и горных пород резанию рабочим инструментом исполнительных органов горных машин. Технический результат направлен на обеспечение безотрывного движения резца и поддержание квазипостоянного напряжения перед резцом в вершине магистральной трещины. Устройство содержит головку с резцом, закрепленным на держателе, и приводной винт с гайкой. Головка с резцом выполнены с возможностью их перемещения по закрепленным на раме направляющим, при этом головка выполнена с цилиндрическим углублением. В углублении головки с одного конца расположена спиральная пружина сжатия, снабженная датчиком, регистрирующим усилии сжатия пружины. Второй конец пружины размещен в углублении упорной шайбы с возможностью упора в торец винта. Винт установлен в опоре, закрепленной на направляющих, с возможностью его взаимодействия с соответствующей нарезкой опоры при вращении винта автоматизированным приводом. 2 ил.

Изобретение относится к горному делу и предназначено для определения изменения напряженного состояния горного массива. Технический результат направлен на повышение длительности определения изменений напряженного состояния горного массива в окрестностях выработок в ходе непрерывных мониторинговых акустико-эмиссионных измерений перемещения вглубь массива зоны опорного давления. Способ включает размещение в скважине полого цилиндрического звукопровода, прием и анализ параметров распространяющихся в нем ультразвуковых сигналов с помощью установленных на его торцевых поверхностях преобразователей акустической эмиссии. Предварительно на звукопроводе соосно с ним и на некотором расстоянии друг от друга закрепляют не менее двух колец из текстолита, внутренний диаметр которых совпадает с диаметром звукопровода, а внешний - с диаметром скважины. Деформация скважины, вызванная смещением зоны опорного давления, приводит к деформации соответствующих текстолитовых колец и, соответственно, росту акустико-эмиссионной активности в этих дисках. Измеряют разность времен прихода на приемные преобразователи тех сигналов акустической эмиссии, амплитуда которых максимальна из всех приходящих сигналов, причем о глубине зоны опорного давления и изменении ее во времени судят по указанной выше разности времен, известной длине звукопровода и измеренной скорости распространения ультразвука в нем. 4 ил.

Наверх