Способ согласования входных сопротивлений антенны и массива горных пород

 

Использование: в горном деле, в частности в способе регистрации слабых сигналов электромагнитного происхождения, возникающих в массиве. Сущность изобретения: способ предусматривает измерение проводимости и диэлектрической проницаемости массива. Для этого в массиве делают скважину или выработку с последующей установкой в них антенны. Последнюю выполняют в виде петли с возможностью изменения длины витка. Величину входного сопротивления такой петли определяют с учетом частоты магнитной и диэлектрической проницаемости, расстояния между сторонами массива и его диэлектрической проницаемости.

Изобретение относится к горному делу и может быть использовано при регистрации электромагнитного излучения для обеспечения максимально регистрируемого сигнала ЭМИ при прогнозе динамических проявлений в массиве горных пород.

Известен способ согласования электрических характеристик антенны с параметрами массива (в основном, с диэлектрической проницаемостью массива ε¹), включающий измерение диэлектрической проницаемости массива, установку антенны, выполненной в виде рупора вблизи исследуемого участка массива, при этом согласование антенны с массивом осуществляют, размещая между ними дистиллированную воду (см. Сборник трудов ЦНИГРИ, вып, 74, 1968, с.152-155. Антенны для подземных радиолокационных измерений).

Способ имеет следующие недостатки. Во-первых, использование способа возможно только в диапазоне 100-200 МГц, что не позволяет согласовывать параметры (входные сопротивления) антенны и массива на более низких частотах. Это, в свою очередь, не позволяет регистрировать сигналы ЭМИ от растущих трещин, которым свойственен более низкий диапазон частот, что предопределяет потерю полезной информации как о самом процессе разрушения, так и о различных стадиях его протекания. Во-вторых, значительным недостатком является неудобство использование дистиллированной воды в качестве согласующего вещества, что требует дополнительной разработки сложных конструкций.

Наиболее близким аналогом по технической сущности и достигаемому результату является способ согласования антенны с электрическими параметрами массива горных пород, включающий измерение параметров массива (удельную проводимость и диэлектрическую проницаемость), проходку выработки или скважины, установление по центру антенны, причем для каждого поддиапазона пробуривают скважину своего диаметра, а антенну для каждого поддиапазона выбирают соответствующей (также различной) длины (см.А.С. N 1026073 по кл. G 01 R 23/16).

Способ имеет следующие недостатки. Прежде всего, это трудности в выполнении многоступенчатой скважины как различного диаметра, так и различной длины. Кроме того, неудобство в изготовлении, монтаже и установке такой антенны, т.к. некоторые ее звенья, особенно при регистрации сигналов в низкочастотном диапазоне, имеют значительную протяженность, в связи с чем незначительна эффективность измерений при регистрации сигналов электромагнитного излучения в массиве.

Техническая задача изобретения повышение эффективности измерений путем уравнивания (согласования) величины входного сопротивления антенны с величиной сопротивления исследуемого участка массива горных пород, что позволяет регистрировать даже очень слабые сигналы (порядка 10^-6 В/м), излучаемые массивом.

Задача решается тем, что в способе согласования входных сопротивлений антенны и массива горных пород, включающем измерение удельной проводимости и диэлектрической проницаемости (электрических параметров) массива горных пород, пробуривание в нем скважины и установку в ней по центру антенны дополнительно выполняют антенну в виде вытянутой петли с возможностью изменения длины ее витка для согласования сопротивлений антенны и массива при работе на различных частотах или в горных породах с различной величиной удельной проводимости. При этом саму величину входного сопротивления антенны определяют из соотношения: где ω круговая частота, равная 2πf, 1/c; f частота, Гц; μ_o магнитная постоянная, равная для немагнитных сред 4П·10^-7 Гн/м; ε_o диэлектрическая постоянная, равная Ф/м; l_петли длина антенны, м; h расстояние между сторонами антенны (витка), м; p радиус выработки или скважины, м; тангенс угла диэлектрических потерь в массиве;
g проводимость среды, См/м;
e = εʹε_o абсолютная диэлектрическая проницаемость массива, Ф/м;
εʹ относительная диэлектрическая проницаемость массива.

Выполнение антенны в виде натянутой петли позволяет просто и эффективно проводить согласование входных сопротивлений антенны и массива на различных частотах путем изменения длины ее витка. Кроме того, согласование входных сопротивлений антенны и массива производят при работе в массивах горных пород с различными величинами проводимости и диэлектрической проницаемости также путем изменения длины витка петли в антенне, а величину самого входного сопротивления антенны определяют из математического выражения:

что позволяет определить длину, на которую следует увеличить или уменьшить протяженность витка петли для согласования антенны с массивом (для уравнения величин их входных сопротивлений), причем в предлагаемом способе изменение величины входного сопротивления происходит пропорционально третьей степени длины витка ее петли. Такое простое изменение длины витка позволяет изменять величину входного сопротивления антенны, уравнивая его значение со значением входного сопротивления участка исследуемого массива, что, в свою очередь, повышает эффективность измерений, решая таким образом поставленную техническую задачу.

Способ осуществляется следующим образом.

В массиве горных пород на предполагаемом участке прогноза динамических проявлений известным методом, например одной из разновидностей радиоволнового метода амплитудным методом, определяют величины удельной проводимости γ_мгп и диэлектрической проницаемости ε_мгп. Для этого устанавливают генератор и приемник на расстоянии r друг от друга и излучают генератором сигнал с частотой f₁. На приемном конце регистрируют амплитуду такого сигнала А₁ и по известным из теории поля математическим выражениям определяют величину затухания сигнала β₁. Затем изменяют частоту генератора до величины f₂, на приемном конце регистрируют амплитуду такого сигнала А₂ и по нему определяют величину затухания сигнала β₂. Зная величины затухания сигналов на частотах f₁ β₁ и f₂ β₂, можем по известным выражениям, приведенным, например, в кн. В. В. Ржевского, Е.Б.Коренберга "Радиоинтроскопия массивов горных пород" М. 1972, с. 49, определить величины удельной проводимости массива и его диэлектрической проницаемости. Пусть в результате было получено γ = 10^-1 См/м и εʹ= 10. Тогда величина сопротивления участка массива R_МГП=10 Ом.

Предварительно на основе полученного математического выражения для определения входного сопротивления антенны определяем, например, для частоты излучения ЭМИ f=5·10⁶ Гц величину R_вх.ант. для антенны, выполненной в виде вытянутой петли длиной l_петли при расположении ее в скважине радиусом 0,5 м и расстоянии между сторонами петли 0,4 м:
R_{вх.петли}= 8,148·10^-5l³_петли
Для выполнения этого соотношения при равенстве R_{вх.петли}=R_мгп=10 Ом длина петли будет равна:
l³_петли= 1,22·10⁵ м,
l_петли=50 м, а сторона петли 25 м.

После этого на исследуемом участке массива горных пород пробуривают скважину радиусом 0,5 м произвольной длины, но большей, чем длина стороны петли, и устанавливают в ней виток петли с расстоянием между сторонами петли 0,4 м и длиной стороны петли 25 м. При таких размерах антенны ее входное сопротивление R_{вх.петли} на частоте f=5·10⁶ Гц становится равным (согласованным) сопротивлению участка исследуемого массива R_мгп=R_{вх.петли}=10 Ом, т. е. изменяя длину витка, мы произвели согласование входного сопротивления антенны с сопротивлением участка массива горных пород. При другой частоте регистрации ЭМИ должна быть подобрана другая длина петли витка антенны.

Формула изобретения

Способ согласования входных сопротивлений антенны и массива горных пород, включающий измерение проводимости и диэлектрической проницаемости массива, бурение в нем скважины или выработки и установку в ней по центру антенны, отличающийся тем,что антенну выполняют в виде вытянутой петли с возможностью изменения длины ее витка, а величину входного сопротивления определяют из соотношения

где ω круговая частота, 1/с, w = 2πf;
f частота, Гц;
μ_o- магнитная постоянная, равная 4π·10^-7 Гн/м;, Гн/м;
ε_o -диэлектрическая постоянная, равная (1/360)·10^-9, Ф/м;
l_петли длина петли, м;
h расстояние между сторонами петли,м;
p радиус выработки, м;
tgδ тангенс угла диэлектрических потерь в массиве, ;
g проводимость массива, См/м;
e абсолютная диэлектрическая проницаемость массива, e = εʹε_o;
εʹ относительная диэлектрическая проницаемость массива.