Способ акустического определения неоднородности массива вблизи выработки

Способ акустического определения неоднородности массива вблизи выработки

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

ОПИСАНИЕ 331353

ИЗОБРЕТЕН ИЯ

Союз Советских

Социалистических

Республик

Зависимое от авт. свидетельства ¹â€”

Заявлено 09.!Ч.1970 (№ 1415556/26-25) с присоединением заявки М—

Пр иоритет—

Опубликовано 07.I I I.1972. Бюллетень чо 9

Дата опубликования описания 21.IV.1972

М. Кл. С Olv 1/40

E 21Ь 47/00

Иомитет по делам изобретений и открытий при Совете Министров

СССР

УДК 530.834!622.241 (088.8) Авторы изобретения

В. С. Ямщиков, В. В. Сорокин и И. Г. Абдульманов

Заявитель Московский, ордена Трудового Красного Знамени горный институт

СПОСОБ АКУСТИЧЕСКОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ НЕОДНОРОДНОСТИ

МАССИВА ВБЛИЗИ ВЫРАБОТКИ

Изобретение относится к области акустических исследований горных выработок.

Известны способы обнаружения неоднородности массива и ее размеров. Этп способы основаны на возбуждении упруп!х волн в массиве, приеме отраженных от неоднородности волн и измерении их характеристик.

Физическая сущность способов состоит в следующем.

Пусть в однородной среде присутствует область, характеризующаяся друп!ми физическими параметрами. Для определения ее местоположения и размеров с помощью направлепного источника возбуждают в среде упругие колебания и принимают отраженные от указанной области волны. Измеряя время распространения отраженных волн, горизонтальные и вертикальные углы излучения и приема, определяют по известной скорости упругих волн в контролируемой среде местоположение этой неоднородности.

Одним из основных факторов, ограничивающих точность указанных способов, является направленность акустических преобразователей. Направленность зависит от отношения линейных размеров рабочей поверхности преобразователя к длине волны. Для одного и того же преобразователя направленность увеличивается с повышением частоты упругих волн. Однако, затухание упругих волн в горных породах увеличивается с повышением частоты и, cëåäoâàòåëüío, уменьшаются размеры контролируемого участка.

Друп!м обстоятельством, снижающим точность рассматриваемых способов, является то, что скорость распространения упругих волн в контролируемом участке массива известна с небольшой точностью. Это вызвано тем, что скоростные характеристики массива обычно определяют путем измерений на образцах или на малых базах в массиве.

В известных способах не используются свойства некоторых ооластей массива — лучше переносить энергию упруп!х волн посрав1,-, нен!!ю с прилегающими к ним областями.

Следствием этого является то, что возможен эффективный контроль относительно ма Ib!x

> а стков м асси в а.

С помО!цью предложенного способа можно не только производить с высокой точностью контроль состояния больших участков массива с использованием относительно высоких частот, но и определять неоднородность массива вблизи горной выработки. Основан этот способ на регпстрапип амплитуд упругих волн, отраженных от неоднородности, приемниками, расположенными на поверхности выработки.

B массиве выработки определяют положение звукопровода, возбуждают упругие коле?0 бания нужной частоты в звукопроводе, обра331363

3 зованном областью повышенного напряжения, и принимают их множеством приемников, расположенных на поверхности выработки. Граница неоднородности определяется с приемников по уровням сигналов, которые достигают некоторой пороговой величины, после общего спада уровня сигналов на приемниках, находящихся ближе к источнику упругих колебаний.

Частью способа является возбуждение в звукопроводе упругих волн, частота которых выбирается из условия наименьшего значения коэффициента затухания при условии существования звукопровода.

Точность предложенного способа зависит от выбора частоты упругих волн, но на нее не влияет точность определения скорости упругих волн в контролируемом участке массива.

С приемников на поверхности выработки непосредственно получают контур границ неоднородности.

Область повышенного напряжения располагается на определенном расстоянии от поверхности выработки для каждого конкрет ного случая, поэтому точность определения местоположения неоднородности массива повышается по сравнению с известными способами.

На фиг. 1 показан разрез массива вблизи выработки; на фиг. 2 дан график зависимости скорости распространения упругих волн в массиве от расстояния области измерений до поверхности вы работки; на фиг. 3 — график зависимости коэффициента затухания упругих волн в массиве от расстояния области измерений до поверхности выработки (зависимость скорости распространения и коэффициента затухания упругих волн исследовалась в натурных условиях); на фиг. 4 — график зависимости амплитуд электрических сигналов íà Bbrходах приемников, расположенных на поверхности выработки, от их расстояния до источников упругих волн; на фиг. 5 изобра>кена решетка приемников на поверхности выработки, ограниченная цепочками излучателей.

Массив вблизи выработки содержит зону 1 нарушенных пород, зону 2 повышенного напряжения, зону 3 нетронутого массива и шнуры 4 и 5 (пунктиром показаны условные гра ницы между тремя названными зонами) .

Предложенным способом можно обнаружить неоднородность б массива типа трещины, включения другой породы и т. д. Граница неоднородности может пересекать границу или границы зоны повышенного напря>кения, смещать границу нли границы зоны повышенного напряжения, находиться внутри зоны повышенного напряжения. Следовательно, данным способом можно обнаружить неоднородность, связанную с зоной повышенного напряжения. В шпуры помещены источники 7 и 8 упругих колебаний. Источники могут быть импульсного или непрерывного действия. На поверхности выработки размещены в виде це5

25 зо

6О

4 почки приемники 9, 10, 11, 12, 18, 14, 15, 1б и

17 упругих колебаний. В общем случае приемники располагают на поверхности выработки в виде решетки, образованной рядами однотипных цепочек. Для простоты ниже рассматривается цепочка приемников. Обобщение на случай решетки приемников не вызывает затруднений. Приемниками могут служить преобразователи пьезоэлектрического, магнитострикционного, динамического и других типов. (Стрелками схематично показаны пути, по которым происходит распространение упругих волн в массиве).

Решетка приемников 18 на поверхности выработки ограничена цепочками излучателей 19 (пунктиром 20 соединены приемники с большими уровнями сигналов, по сравнению с приемниками, расположенными ближе и излучателю в каждом ряду решетки).

На фиг. 4 пунктиром показана амплитуда сигналов при излучении в шпуре 4, сплошной линией — амплитуда сигналов при излучении в шнуре 5.

Источники 7 и 8 упругих колебаний помещают в шнуры 4 и 5, пробуренные в стенке выработки. На поверхности выработки между шпурами устанавливают цепочку приемников

9 — 17 упругих колебаний, регистрирующих амплитуды смещений частиц среды. Электрические сигналы с выходов приемников подаются после усиления (или без него) на вход регистрирующего устройства. В качестве регистрирующего устройства можно использовать электронный осцилограф или вольтметр. Если используют приемники динамического типа, регистрирующие колебательную скорость, то сигналы с их выходов подаются на интегрирующее устройство. С выхода интегрирующего устройства сигнал, соответствующий амплитуде колебаний частиц среды, подается на регистрирующий прибор.

Излучатели устанавливают приблизительно на оси области повышенного напряжения.

Местоположение указанной области находят экспериментально путем прозвучивания массива на малых базах и определяют его по наибольшей скорости распространения упругих волн и их наименьшему затуханию.

Упругие волны, возбуждаемые источником 8, распространяются во все стороны. Ско рость их распространения при удалении от оси звукопровода в данном случае уменьшается, поэтому наблюдается явление рефракции волн в окру>кающее пространство. После выхода из области звукопровода упругая волна распространяется в сильно трещиноватой среде с большим затуханием. Чем больше расстояние, проходимое волной в указанной среде, тем меньше ее энергия. Например, волна, проходящая к приемнику 15, обладает меньшей энергией, чем волна, пришедшая к приемнику lб. В результате этого амплитуда сигналов на выходе приемников убывает по мере удаления от излучателей.

Если в области звукопровода имеется неоднородность, то на ее границе с указанной областью происходит рассеяние упругих волн.

Часть волн отражается обратно к источнику и распространяется по звукопроводу, а часть рефрагирует в окружающее пространство.

Отраженные от границы неоднородности волны регистрируются приемниками. Энергия рефрагированных волн, доходящих до поверхности выработки, достаточно велика, так как распространение волн до встречи с неоднородностью происходит с малым затуханием, и путь, проходимый этими волнами после рассеяния на неоднородности, в среде с большим затуханием, мал.

Может оказаться, что источник 7 будет помещен близко от неоднородности. В этом случае энергия прямых волн, доходящих до стенки выработки, будет превышать энергию отраженных от неоднородности волн и обнаружить ее можно только при прозвучпванип массива поочередно в двух противоположных направлениях. Например, если при прозвучивании массива в одном направлении получен всплеск сигнала при удалении от источника, а при прозвучивании в другом направлении всплеска не обнаружено, то для выявления границ неоднородности необходимо увеличить рассстояние между источниками, перемещая второй пз них, и снова произвести измерения.

Таким образом находятся две точки на линии приемников, по которым определяют две точ ки границы неоднородности. Помещая на стенке выработки решетку из приемников и производя прозвучива ние массива излучателями, расположенными в двух ее рядах, поочередно в двух направлениях, получают на поверхности выработки контур участка, по которому судят о размерах и форме границы неоднородности.

От частоты упругих волн зависят размеры контролируемого участка и чувствительность предлагаемого способа. При использовании

331353 низких частот, размеры участка увеличиваются, цо одновременно увеличивается и то минима II»Ioc расстоянне, на котором может быть обнаружена неоднородность. Это вызва5 цо тем, что эффект звукопровода слабо выражен па низки» частота». Для высоки; частот размер «мертвой зоны» уменьшается, так как эффект звукопровода выражен ярко. Однако размеры контролируемого участка уменьша1О ются, хоть и в меньшей степени. из-за сильного затухания волн в массиве.

В предлагаемом методе частота упру II» волн выбирается из условия наименьшего значения коэффициента зату»анин при усло13 виц существования звукопровода.

Предмет цзооретснця

1. Способ акустического определения нс20 однородности массива вблизи выработки, заключающийся в том, что в массиве возбуждают упругие колебания и регистрируют ампли туды отраженных от неоднородностей упруги» волн группой приемников. расположенны» в

23 определенном порядке на поверхности выработки, отлача ощайся тем, что, с целью повышения точности и надежности измерений, в области горной выработки предварительно определяют положение звукопровода, образо30 ванного областью повышенных напряжений, локализованной вблизи выработки, возбуждают упругие колебания определенной частоты в звукопроводе ц по уровням сигналов, приняTII» приемниками, достигающи» пороговых ве33 личин, на поверхности выработки определяют участок, по размерам и форме которого определяют размер и форму неоднородности.

2. Способ по и. 1, отличаюцийсч тем, что, с целью 3 Велпченпя протяженности hoHTpO.IIIао руемого участка, частоту упруги» волн определяют в соответствии с наименьшим значением коэффициента затухания упру111» волн в звукопроводе.

331353 б 2 3

С

Фи .2

4 9 10 11 12 73 1415 1б 7751 8

О е е °

18 о

° е О

19 е е е Q е е ° ° е -е- -е е

О е е е ° е / е е

О ° ° ° е ° / е е е -е

/ о ° ° ° (° ° °

О е ° е е ) е е е е ф е - 20 м

Q е ° е ° е ° е р а е

l (;} ° ° ° е е M- е---Ф y o e е е Q о о о

О ° ° ° е е е е е е е v Риг.5

Составитель Э, Терехова

Техред Л. Богданова

Корректор Л. Бадылама

Редактор T. Рыбалова

Загорская типография

Заказ 1553 Изд. № 308 Тираж 448 Подписное

ЦНИИПИ Комитета по делам изобретений и открытий при Совете Министров СССР

Москва, )К-35, Раушская наб., д. 4/5