Способ измерения физических свойств массива горных пород

 

(72) Авторы изобретения

В. С. Ямшиков g А, В. Шабельников

Московский ордена Трудового Красного Знамени горный институт (2t) Заявитель (54) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ

МАССИВА ГОРНЫХ ПОРОЛ

Изобретение относится к способам измерения (и контроля) физических свойств массива горных пород, в частности«прочности и электрических параметров горных пород (проводимости, диэлектрической и магнитной проницаемости, мо- дулей сжатия, растяжения сдвига и пр,) низкочастотными геофизическими методами в процессе ведения горно-добычных работ и может быть использовано в геофизических измерениях и исследованиях низкочастотных электромагнитных и вкус»

;тических полей в условиях присутствия про мышленных помех высокой интенсивности, а также в других областях народного хозяйства: в энергоснабжении при noscae трасс подземных кабелей, в нефтяной и газовой промышленности для поиска подземных трубопроводов.

Известно, что для косвенного изье- и рения и контроля физических свойств массива горных пород применяются способы, основанные на геофизических м тодах, В большинстве используемых, способов генератором переменного тока возбуждают в массиве электромагнитные или акустические колебания и измерщот в месте приема амплитуды или фазы воз»буждаемых аолебаний, прошедших через массив горных пород. !1о известным соотношениям, которые связывают изьюренные амплитудно-фазовые характеристики сигналов с параметрами горных пород, определжот и контролируют физические свойства массива, причем от точности и надежности измерения принимаемых сиг палов зависит точность и надежность оценок искомых параметров.

Известна система для решения задач геоэлектроразведки с 1к:пользованием синхронных генераторов и непосредствен но соединенных средств сравнения (11.

Генератором переменного тока возбуждают в земле нпэючастртное электрвческое поле одной частоты и измеряют в месте приема емплитудно-фаэовые характеристики возбуждаемых колебаний приемным устройством. Частоту опорного

714,327

20 параметры горных пород, а по их изме40 нению осуществляют контроль за состоянием массива. что частоту переменного тока генератора

45 и опорных колебаний смесителя приемника формируют из сигналов спектральных составляюших промышленных помех. сушествуюших в месте возбуждения и приема акустических или электромаг

$6 нитных колебаний. За счет этого получают синхронное изменение частоты генератора и опорных колебаний смесителя приемника с изменением частоты помех.

В известных способах частоту пере>> манного тока генератора и опорного cm нала смесителя приемника формируют местными генераторами, фиксированная или переменная частота которых не связана с частотой помех.

3 сигнала смесителя приемника берут ра ной частоте переменного тока генератора.

Известно также устройстно для изме рения йзменений периодически< сигналов на фоне шумов в системе вызванной поляризации, где генератором периодических сигналов возбуждают в среде электро магнитные колебания одной частоты и измеряют в месте приема амплитуднофазовые характеристики возбуждаемых колебаний приемным устройством, в котором частоту опорно1"о сигнала смесителя приемника выбирают равной частоте переменного тока генератора (2).

Недостатком этих устройств является 15

Фо, что в них частот у йеременного тока генератора и опорных колебаний смеси теля приемника Стабйлиэйруют кварцевым резон, тором (часами), и, следовательно, :полосу пропускания приемника жестко зекрецляют уа оси частот, В этом случае промышленные помехи от работающих машин и механизмов, обладая собственной нестабильностью, йбИЩают. "в полосу пропускания приемника, что искажает результаты измерений и приводит к неправильной оценке состояния масси- ва в

Наиболее близким является способ измерения электромагнитных параметров

=" масси6а горных пород, в котором генератором переменного тока возбуждают в массиве два электромагнитных колебаЙЙя "с поСтоянйой разностью их" частот в течение всего периода модуляции. В месте приема измеряют изменение величины

f разностной часто," ы сигнала в течение периода модуляции, по которому судят об исследуемых электрических параметрах горных пород, приемным устройством, в которбм частота опорного сигнала смесителя приемника равна разностной частоте колеоайий, возбуждаемых в массйве генератором переменного тока ")

Недостатком данного способа является то, что в массиве возбуждают час тотномодулированные колебанйя и, следо-. вательно, производят измерение параметров сигнала приемником с широкой полосой пропускания. В условиях ведения горйо-добычйых работ в широкую полосу прей ускаМя" прйемпика попадают сигналы сне»ктралсныХ состаййпоших промышлен

"= =" "ййх= помех, "интейсивность которых часто прИвьллабт аЮйлитуду полезном сигнала.

Интерпретация результатов измерений

Щйййаейъ х" сйгналов и оценка состоя

HHR MAccHBa горйых пород в этом случае

»Ъ .

1становятся затруднительными и приводят к ошибочным результатам.

Ц ль предлагаемого изобретения - исключение влияния промышленных помех от работающих машин и механизмов на измеряемые характеристики принимаемых колебаний.

Для этого, используя промышленные помехи, присутствие которых в месте возбуждения и приема колебаний рассматривается как положительный фактор, фил труют сигналы спектральных сос тавляюших помех, делят частоты этих составляюших на их удвоенный порядковый номер и умножают в нечетное число раз; полученными сигналами возбуждают в массиве горных пород электромагнитные или акустические колебания, а также используют их в качестве опорных сигналов, и по результатам измерений судят о фиэйческих свойствах массива гОрных пород.

В данном способе генератором переменного тока возбуждают в массиве акустические или электромагнитные низкочастотные колебания в зависимости от применяемого метода, причем работу ведут на одной или нескольких частотах. Приемником измеряют в месте при-ема информативные характеристики воз» буждаемых колебаний прошедших через массивамплитуду, фазу (время задержки) или то и друже вместе. Ч.лстоту опорного сигнала смесителя приемника выбирают равной частоте генератора. ffo значениям измеренных характеристик определяют прочностные и электрические

Существенным отличием предлагаемо» го способа от известных является то, ф » — (f, дУ 1 иФ4 (2) где + a, kp -абсолютная нестабильность рабочей частоты, оставаясь при атом все время между спектральными составляющими помех (фиг. lг). В результате устраняют попадание спектральных составпжнпих помех У, при их любых частотных колебаниях = Ь | в полосу пропусквния нриемника, настроенную на частоту %Р, и исключают влияние помех яв амплитудно-фаэовые характеристики измеряемого сигнала. В известных способах помехи иэ-эв собст»

Венной нествбипьности попадают в полосу пропускания приемника, настроеннук

В предлагаемом способе частоту гейератора и опорных колебаний смесителя приемника формируют иэ дискретного спектра промышленных помех, для чего из спектра выделяют спектральную составляющую, например, 50 Fit делят час тоту выделенной составляющей на ее удвоенный номер и умножают в нечетное число раз. Путем такого преобразования располагают рабочую частоту генератора 10 и частоту настройки приемника между спектральными составляющими помех при любой нестабильности последних и тем самым исключают влияние спектральных сос гавляющих помех на измеряемые характеристики принимаемых колебаний.

В предлагаемом способе помехи специально пропускают в генератор и при емник, формируют из них рабочие частоты,. тогда как в известных способах помехи подавляют на входе приемника ипи в процессе обработки сигналов.

На фиг. 1 представлены спектры по мех и рабочих сигналов, поясняющие предлагаемого изобретения. На фиг. la показаны спектральные составляющие промышленных помеху на фиг. 16 ноквзано перемещение помех но оси частот иэ»за собственной частотной нестабиль»ности; на фиг. 1 в отражена процедура формирования рабочей частоты генера-тора и приемника из промышленных помех, . показаны на фиг. 1г. Спекрты помех и рабочего сигнала при достижении пели.

На фиг. 2 изображена блок-схема устройства для реализации предлагаемого способа.

Устройство содержит электроды 1, погруженные в массив для приема сиг налов помех, полосовые фильтры 2 помех у генератора и приемника, усилитель 3, делители 4 частоты помехи, умножители

5 частоты помехи; полосовые фильтры 6 сформированных рабочих частот генерато- 4> ра и приемника, усилитель 7 ьюшности генератора, электроды 8 генератора и приемника для возбуждении и приема электрических колебаний, усилители 9, полосовой фильтр 10 приемника, настро 9 ,енный нв принимаемые колебания, сме ситель 11 приемника, стрелочный 12 индикатор, блок 13 автоматичесюй ре гулировки усиления, местные гене раторы 14 в генераторе и приемнике, ключи 15 включения местных генерато ров.

Сущность предлагаемого способа по- . ясняется следующим образом.

327 6

В массиве горных пород возбуждают поле генератором переменного тока, юторый располагают в горной выработке на неко гором расстоянии от приемника.

Иэ дискретного спектра промышленных помех, существующих в массиве, селективными цепями выделяют спектральную соств вляюшую, желательно высокой ин» тенсивности, например Хк (фиг. lа).

Для формирования рабочей частоты генера тора и равной ей частоты опорных юле баний смесителя приемника выделенную составляющую помех jtensrr на ее удвоен ный номер и умножают в нечетное число раз. Таким образом, в генераторе и приемнике нвд частотой выделенной спек тральной составляющей помех g производят операцию:

° a"„( (1) где f рабочая частота генератора и опорных юлебаний смесителя приемника;

k. - порядковый номер спектраль ной составляющей помех, К»1,2, ...

1 ,И.- любое целое число, О, 1„2„....

Числа К и И выбирают такими, чтобы рабочая частота генератора приняла зна чение, необходимое для данного метода контроля массива горных пород. Этим

:преобразованием рабочую частоту генера тора и опорных колебаний смесителя при емника располагают строго между спек тральными составляющими помех (фиг. lв). Если помехи имеют частотную не стабильность + ь|, (фиг. 16), то рабочая частота также нестабильна и может изменяться в диапазоне;

4327 го сигнала и, следовательно, на точность и надежность оценок параметров горных пород.

Предлагаемый способ при сравнительно небольшом усложнении аппаратуры позволяет проводить измерение и контроль физических свойств массива горных пород в процессе ведения жрно-добычных работ в присутствии помех высокой интенсивности от работающих машин и механизмов, что дает возможность непрерывно следить за состоянием массива, управлять технологическими процессами добычи полезного ископаемого, обеспе15 чивать Ъеэонасные условия труда.

7 71 на постоя ную частоту (фиг, 1G). При работе многочастотными методами изме >ения и контроля в соответствии с формулой (1) формируют сеть дискретных рабочих частот Хpq f Р и т.д.

Грелок-схема устройства для реализации способа показана на фиг. 2. Помехи наводят на электродах 1 напряжение, кото "-рое подают на фильтр 2 с полосой пропускания 1„+ h,%.1, где выделяют составляющую помех f усиливают ее усилителем 3, делят на удвоенный порядковый номер составляющей делителем 4, умножают в нечетное число раз умножителем 5 и подают- на йолосовой фильтр 6 с полосой пропускания Ер — 5, Полученные колебания частоты g усиливают усилителем 7 кюшности и возбуждают . ми массив через электроды 8. Коле-. бания, пройдя через среду, наводят на электродах 8 приемного устройства напряжение полезного сигнала частоты который усиливают усилителями 9 и до и после его фильтрации фильтром 10 с полосой g z f. и подают вместе с по.+

25 давленнйми фильтром 10 составляюшими помех Ьи на смеситель 11. Смесителем иэ совокуйности полезного сигнала и помех выделяют тот сигнал, частота которого равна частоте опорных колеба30 ний — полезный сигнал частоты :р, расположенной между состаг чяюшими помех. Напряжение опорного сигнала смесителя поддерживают постоянным блоком

АРУ 13. Характеристики сигнала на выходе смесителя измеряют прибором 12.

Если интенсивность помех мала, к генератору и приемнику с помошью переключателей 15 подключают местные генераторы 14 рабочих частот T> . В качестве датчиков помех, кроме электродов 1; также используют электрическую . или магнитную антенну, сейсмоприемник, а в соответствуюших условйях понижа45 юший трансформатор сетевого напряжения.

За счет формирования частоты пере мейноГсГтокы генератора и опорных колебаний с месителя приемника из про " " " мышленных помех и расположения рабо50 чей частоты между спектральными составляюшими помех исключают влияние последних па характеристики измеряемоФормула изобретения

Способ измерения физических свойств массива горных пород, основанный на возбуждении в массиве электромагнитных или акустических колебаний одной или нескольких частот, формировании опорного сигнала, частота которого .равна частоте возбуждаемых колебаний, измерении а точке приема амплитудно-фазовых характеристик возбуждаемых колебаний, отличающийся тем, что, с целью исключения влияния промышленных помех на результаты и мерений, фильтруют сигналы спектральных составляющих помех, делят частоты этих составляюших на их удвоенный порядковый номер и умножают в нечетное число раз, полученными сигналами воз буждают в массиве горных пород электромагнитные или акустические колебания, а также используют их в качестве опорных сигналов, -и по результатам измерений

L судят о физических свойствах массива горных пород.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Патент США ¹ 3701940, кл. 3241, опублик. 1975.

2. Патент США № 3984759, кл. 324-6, опублик. 1976.

3. Авторское свидетельство СССР

¹ 492836, кл. Q 01 Ч 3/12, 1975 (прототйп) .