Способ контроля напряженного состояния массива горных пород

 

Изобретение относится к горному делу и предназначено для оценки пространственного распределения напряжений в окрестностях горных выработок. Цель - повышение точности за счет уменьшения влияния контактных условий преобразователей с массивом. Массив прозвучивают импульсами низкой частоты с помощью излучающего и приемного преобразователей, дискретно перемещаемых в двух параллельных скважинах. Измеряют амплитуды ультразвуковых импульсов. При каждом фиксированном положении преобразователей по глубине скважин контролируемые участки дополнительно прозвучивают ультразвуковыми импульсами высокой частоты. Затем определяют отношение амплитуд ультразвуковых импульсов высокой и низкой частоты. По изменению этого отношения с глубиной контролируют распределение напряжений в массиве горных пород. Отношение амплитуд ультразвуковых импульсов существенно в меньшей степени зависит от качества контактных условий, чем традиционные информативные параметры ультразвукового контроля. 2 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (51) E 21 С 39/00

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К А BTOPCHOMV СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР (21) 4617535/31 — 03 (22) 09.12.88 (46) 15,12.90. Бюл. N - 46 (71) Московский горный институт (72) В.Л.Икуратник (53) 622.23.05(088.8) (56). Авторское свидетельство СССР

М - 1149010, кл. Е 21 С 39/00, 1983 .

Глушко В.Т., Ямщиков B.Ñ., Яланский А.А. Геофизический контроль в шахтах и тоннелях. М.: Недра, с.214. (5 4) СПОСОБ КОНТРОЛЯ НАПРЯЖЕННОГО

СОСТОЯНИЯ МАССИВА ГОРНЫХ ПОРОД (57) Изо бре тение относится к горному делу и предназначено для оценки пространственного распределения напряжений в окрестностях горных выработок. Цель изобретения — повышение точности за счет уменьшения влияния кон-. тактных условий преобразователей с

Изобретение относится к горному делу и предназначено для оценки пространственного распределения напряжений в окрестностях горных выработок.

Цель изобретения — повышение точности контроля за счет уменьшения влияния контактных условий преобразователей с массивом.

На фиг. 1 представлена схема реализации предлагаемого способа; на фиг. 2 — нормированный график изменения отношения амплитуд высокочастотного и низкочастотного ультразвуковых сигналов в зависимости от расстояния (вдоль скважин) до контура выработки.. ®U 1613607 А1

2 массивом Массив проэвучивают импуль сами низкой частоты с помощью излучающего и приемного преобразователей, дискретно перемещаемых в двух параллельных скважинах. Измеряют амплитуды ультразвуковых импульсов. При каждом фиксированном положении преобразователей по глубине скважин контролируемые участки дополнительно прозвучив ают ультразвуковыми импульсами высокой частоты. Затем определяют отношение амплитуд ультразвуковых импульсов высокой и низкой частот. Ио изменению этого отношения с глубиной контролируют распределение напряже— ний в массиве горных пород. Отношение амплитуд ультразвуковых импульсов существенно в меньшей степени зависит от качества контактных условий, чем традиционные информативные параметры ультразвукового контроля. 2 ил.

Схема включает две параллельные скважины 1 и 2, в которые помещены излучающий ультразвуковой преобразователь 3 и приемный ультразвуковой преобразователь 4, которые подсоединены к ультразвуковому прибору 5.

Способ осуществляют следующим образом.

В кровле, стенке или :ючве выработки бурят две параллельные скважины

1 и 2 (обычно на расстоянии О, 5-0, 8 м одна от другой на глубину до 3-5 м), по которым параллельно перемешают излучающий ультразвуковой преп брав о ва,тель 3 и приемный ультразвуковои пре161:3607 образователь 4 дискпетно с шагом

0 1-0 2 м.

Излучающий и приемный преобразователи 3 и 4 должны быть двухча тотными,5. т.е. иметь как минимум две рабочие (резонансные) частоты — нижнюю f „, и верхнюю Г, Причем информативность контроля с увеличением отличия частот

f и и f возрастает, поэтому значение частоты Йн должно быть возможно более низким,а частоты f — возможно более высоким. Однако поскольку с уменьшением значения f н возрастают резонанс— ные размеры ультразвуковых преобразо- 15 вателей 3 и 4, то реально частота выбирается не ниже 40 — 60 кГц. По— скольку с увеличением частоты f возрастает затухание ультразвуковых колебаний, то ее значение выбирается 20 максимальнblM при котором зондирующий сигнал уверенно регистрируется в точках приема. Обычно этому условию удовлетворяе" частота Гб, не превышающая

200 кГц. 25

При каждом фиксированном положении преобразователей 3 и 4, находящихся в параллельных скважинах 1 и 2 один против .другого, с помощью ультразвукового прибора 5 возбуждают сначала ра- 30 диальные низкочастотные коле бания пьезоэлемента преобразователя 3 на частоте f < ° С помощью последнего низкочастотный ультразвуковой сигнал излучают в ме>ксква>кинное пространство, пройдя которое указанный сигнал принимается приемным преобразователем 4, с выхода которого электрический сигнал поступает на вход ультразвукового при— бора 5, который измеряет амплитуду А (f „) принятого УЗ-сигнала.

Затем с помощью УЗ-прибора 5 возбуждают продольные высокочастотные колебания пьезоэлемента преобразователя 3 на частоте fbi,,С помощью преобразова- 5 теля 3 высокочастотный ультразвуковой сигнал излучают в межскзажикпое пространство, пройдя которое указа нный сигнал принимается преобразователем 4, Электрический сигнал с выхода последнего поступает на УЗ-прибор 5, измеряющий амплитуду этого сигнала.

Указанные операции проделывают при каждом фиксированном положении преобразователей по глубине скважин

11 и 2.

На участке массива, прилегающем к контуру выработки, имеются нарушения естественной. структуры вследствие воздействия буронзрывных и др> "их работ, а также влияния перераспределения горного давления. На э.ом участке затухание ультразвуковых волн максимально, а амплитуды А,(Гн) ь А „((<) принимаемых ультразвуковых сигналов — мини— мальны. Причем затухание высокочастотных сигналов здесь существенно превьппает затухание низкочастотных сиг— налов и, следовательно, А (>.„)))

>) AÄ(f Е).

На участке массива, соответствую— щем зоне опорного давления, затуха— ние УЗ- сигналов минимально, соо тв е тственно амплитуды A>(f „) и А (>., ) максимальны, причем степень отличия

А (1И) " Az(e) друг от друга гораздо меньше, чем на участке, примыкающем к контуру выработки.

Далее по глубине скважин 1 и 2 следует участок сохранного массива (область естественных напряжений), на котором не произошло изменений напряжений и структуры горных пород под влиянием выработки. Полученные на этом участке значения амплитуд А.(fz} и А >(fz) низкочастотного и высокочастотного сигналов соотносятся между собой и с амплитудами А„(н), А,(в), A (f ) и A (f ), полученными на пер— вом и втором участках следующим образом:

А< (Еп) с А (f„) с А (f í); в) с A (f e) «(f e)

А (>". и) ) A(f в) .

Затем для каждой из фиксированных точек контроля получают отношение

A(f6)/A(f„). Совокупность этих отношений в функции от расстояния 1 до контура выработки (фиг. 2) отражает характер распределения напряжений в окрестности выработки. Причем расстояние 1,, на котором отношение

A(f z)/А(> н) максиально, соответствует положению максимума зоны опорного давления.

Поскольку коэффициенты передачи ультразвукового сигнала в системах излучающий преобразователь 3 — массив и массив — приемный преобразователь 4 практически одинаковы для высокочастотного и низкочастотного сигналов, то отношение A(f )/A(f„) практически не зависит от качества контактных ус— ловий преобразователей 3 и 4 с массивом. Необходимо, чтобы акустический контакт оставался постоянным в ходе всего цикла измерений на каждой фик3607

5 161

ЛГронанной глубине (цикл включает измерения на высокой и низкой частотах), а также чтобы потери на контактах преобразователей 3 и 4 с массивом были меньше предельных, при которых еше возможна устойчивая регистрация высокочастотного зондирующего сигнала.

Экспериментальная проверка способа прогедена на шахте, где добываются блоки пильных известняков.

В стенке подготовительной выработки на расстоянии 0,5 м одна от другой в вертикальной ппоскости пробурены две скважины диаметром 42 мм и глубиной 3 м. Излучающий и приемный преобразователи 3 и 4 синхронно перемещались по скважинам 1 и 2 с шагом Ы

0,1 м. Резонансные частоты преобразователей 3 и 4 составляли и =60 кГц

Н и Е = 150 кГц.

Возбуждение излучающего преобразователя 3, измерение амплитуд А (f н) и А(1в) принятых ультразвуковых сигналов низкой и высокой частот осуществлялось ультразвуковым прибором

УД2-16 (разработанным ПО "Волна", r. Кишинев).

В результате получена совокупность значений A(tp) и А(йь) для каждой фиксированной точки контроля по глубине скважин. Затем были рассчитаны отношения A(f>)/А(1н) для каждой из указанных точек и построен нормированный график зависимости A(f. )/А(„) в функции от расстояния до контура выработки (фиг. 2), который отражает распределение напряжений вокруг выработки.

11ногократные измерения отношений

А(1.в)/A(f ), приведенные в одних и тех же точках, показали, что макси— мальное их отклонение от среднего (полученного по результатам двадцати измерений) не превышает 4-7, н то время как отклонения A(f>) и А(Гн ) до с ти гали 407. Э то подтв е ржд".е т, что

1ð отношение А(f )/А(Г„) существенно в меньшей степени (практически па порядок) зависит от качества контактных условий, чем традин о нные (амплитудные) информативные параметры ультра15 звукового контроля.

Формула изобретения

Способ контроля напряженного сос20 тояния массива горных пород, включающий проэвучивание массива импульсами низкой частоты с помощью излучающего и приемного преобразователей, дискретно перемещаемых в двух параллельных скважинах, и измерение амплитуд ультразвуковых импульсов, о т— лич ающий с я тем, что, с целью повышения точности за счет уменьшения влияния контактных условий преобра30 зователей с массивом, при каждом фиксиро ванном положе ни и прео б раз о в а те лей по глубине скважин контролируемые участки дополнительно прозвучивают ультразвуковыми импульсами высокой частоты, определяют отношение амплитуд ультразвуковых импульсов высокой и низкой частот и по изменению этого отношения с глубиной контролируют распределение напряжений в массиве

4Q Го pHbtx по род, 1б13607

glitz.1 л(д/ М

О8.

Составитель М. Китайская

Редактор И.Петрова Техред Л.Олийнык . Корректор А.Осауленко

За каз 3873

Тираж 388

Подписное

ВЫКИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж вЂ” 35, Раушская наб., д„ 4/5

Производственно-издательский комбин1T "Патент", г. Ужгород, ул, Гагарина, 101