Способ контроля изменения напряженно-деформированного состояния массива горных пород

Изобретение относится к геофизике и может быть использовано в горной промышленности для контроля изменения напряженно-деформированного состояния массива горных пород на более ранней стадии образования несплошностей, ведущих к динамическим проявлениям. Согласно заявленному способу дополнительно для принятого акустического сигнала используют несколько пар схем «усилитель - временной селектор», управление которыми осуществляется вырабатываемыми сигналами управления, величина которых, для последующих схем, зависит от длительности выбросов предыдущей схемы «усилитель - временной селектор». Количество схем выбирают из заданного соотношения сигнал/помеха, которое определяют из аналитической зависимости, включающей такие параметры, как полезный сигнал, сигнал входной помехи, сигнал помехи от выбросов схемы временного селектора, коэффициент усиления усилителя, коэффициент режекции схемы временного селектора, количество пар схем «усилитель - временной селектор». Технический результат - повышение достоверности контроля изменения напряженно-деформированного состояния массива горных пород.

 

Изобретение относится к геофизике и может быть использовано в горной промышленности для исследования и обеспечения контроля зарождающихся процессов разупрочнения массива горных пород, ведущих к катастрофическим проявлениям.

Известен [1] способ, в котором ведется прозвучивание участка массива сигналами, использующими серию из нескольких пачек равномерных импульсов, оценивают дисперсию составляющих спектра сигнала и по их изменению в последующих сериях судят об изменении напряженного состояния горного массива в целом.

К недостаткам следует отнести сложность реализации и низкую достоверность, так как, во-первых, при смене промежутка между гармониками значения амплитуд гармоник не могут однозначно показать произошедшие изменения; во-вторых, спектр таких сигналов весьма сложен, и выделить составляющие гармоник является непростой задачей, что не позволяет вести контроль в реальном времени.

Более близким является способ [2], в котором ведется прозвучивание участка массива сигналами, использующими серии из пачек равномерных импульсов, оценивают эксцесс каждой выборочной составляющей спектров сравниваемых сигналов в различные моменты времени и по его изменению судят об изменении напряженно-деформированного состояния массива.

К недостаткам следует отнести сложность реализации и низкую достоверность, так как при смене частотного промежутка оценки эксцесса могут оказаться неизменными, и ввиду сложности таких спектров непосредственно принятый широкополосный сигнал может быть с низким отношением сигнал/шум, что в результате ведет к ошибкам контроля.

Заявленное решение направлено на повышение достоверности контроля изменения напряженно-деформированного состояния массива горных пород при выборе прогностических характеристик и ведения мониторинга состояния.

Поставленная цель достигается тем, что в известном способе, заключающемся в прозвучивании массива акустическими сигналами, приеме сигналов, прошедших контролируемый участок массива горных пород, дополнительно для принятого акустического сигнала используют несколько пар схем «усилитель - временной селектор», соединенных последовательно, анализируют выбросы переднего и заднего фронтов предыдущего временного селектора, вырабатывают сигнал управления для последующего временного селектора, длительность которого равна разности между задним фронтом переднего выброса и передним фронтом заднего выброса предыдущей схемы временного селектора, выработанным сигналом управляют последующей схемой временного селектора, количество схем «усилитель - временной селектор» выбирают из заданного соотношения сигнал/помеха, которое определяют из выражения:

$$N=\frac{k^p{\displaystyle \underset{0}{\overset{\infty }{\int }}S\left(\omega \right)d\omega }}{\frac{k^p}{n^p}{\displaystyle \underset{0}{\overset{\infty }{\int }}A\left(\omega \right)d\omega +{\displaystyle \sum _{i=l}^p\frac{k^{\left(p-1\right)}}{n^{\left(p-1\right)}}{\displaystyle \underset{0}{\overset{\infty }{\int }}B\left(\omega \right)d\omega }}}}$$

где

S(ω) - полезный сигнал, подлежащий контролю;

A(ω) - сигнал входной помехи;

B(ω) - сигнал помехи от выбросов схемы временного селектора;

k - коэффициент усиления усилителя;

n - коэффициент режекции схемы временного селектора;

p - количество пар схем «усилитель - временной селектор», включенных последовательно.

Сущность предложенного способа заключается в следующем. На контролируемом участке массива горных пород устанавливают датчики, которые работают в режиме прозвучивания (излучающий и приемные). В качестве зондирующего сигнала выбирают прямоугольный акустический импульс с заданной скважностью. Приемные датчики, подключенные к приемной аппаратуре, принимают сигнал, прошедший контролируемый участок массива горных пород. Принятый сигнал в своем спектре будет иметь особенности, то есть характерные изменения параметров спектральной плотности мощности, и этот сигнал может быть «зашумлен» шумами от различных источников как внутренних, так и внешних. Общепринятая практика [3] использовать при приеме в таких ситуациях схему «временной селектор», которая выделяет сигнал на временной оси, не приносит успеха, т.к. такая схема генерирует дополнительные выбросы, которые являются помехой при измерениях. Для получения более достоверной информации необходимо выбрать оптимальное отношение сигнал/помеха. В этом случае можно использовать несколько схем «временной селектор», включенных последовательно. Однако, все электронные схемы при переключении на выходе имеют выбросы, то есть короткие импульсы с широким спектром. При включении последовательно нескольких схем «временной селектор» эти импульсы частично складываются, и их спектр увеличивается по амплитуде, что пагубно виляет на достоверность проводимого контроля.

Для повышения достоверности контроля изменения напряженно-деформированного состояния массива горных пород необходимо использовать в приемной аппаратуре последовательно включенные пары схем «усилитель - временной селектор», причем таких схем может быть несколько. Управление каждым последующим временным селектором следует выбирать исходя из анализа выбросов переднего и заднего фронтов предыдущей схемы временного селектора. А именно, вырабатывают сигнал управления для последующего временного селектора, длительность которого равна разности между задним фронтом переднего выброса и передним фронтом заднего выброса предыдущей схемы временного селектора. То есть каждая последующая схема временного селектора управляется импульсом, длительность которого короче длительность управления предыдущей схемы временного селектора на время длительности переднего и заднего выбросов предыдущей схемы временного селектора. Каждый последующий усилитель усиливает только последний сигнал без выбросов предыдущих схем временного селектора. Включение пар схем «усилитель - временной селектор» необходимо выбирать исходя из отношения сигнал/помеха, который определяют из выражения:

$$N=\frac{k^p{\displaystyle \underset{0}{\overset{\infty }{\int }}S\left(\omega \right)d\omega }}{\frac{k^p}{n^p}{\displaystyle \underset{0}{\overset{\infty }{\int }}A\left(\omega \right)d\omega +{\displaystyle \sum _{i=l}^p\frac{k^{\left(p-1\right)}}{n^{\left(p-1\right)}}{\displaystyle \underset{0}{\overset{\infty }{\int }}B\left(\omega \right)d\omega }}}}$$ , где

S(ω) - полезный сигнал, подлежащий контролю;

A(ω) - сигнал входной помехи;

B(ω) - сигнал помехи от выбросов схемы временного селектора;

k - коэффициент усиления усилителя;

n - коэффициент режекции схемы временного селектора;

p - количество пар схем «усилитель - временной селектор», включенных последовательно.

При измерении слабых акустических сигналов предложенный способ дает существенный выигрыш. Например, при амплитуде выбросов, равной 30 мВ [3], k=10, n=20 и первоначальном отношении N=1,2, используя только две пары «усилитель - схема селекции», получаем N=6,6, а три пары дают N около 60.

Таким образом, принятые сигналы, прошедшие предложенную схему обработки и имеющие заданное отношение сигнал/помеха, выбираемые по приведенной формуле, выгодно отличают предложенный способ, так как действительно повышается его достоверность. В результате могут быть выбраны более достоверные прогностические характеристики для контроля изменения напряженно-деформированного состояния массива горных пород.

ЛИТЕРАТУРА

1. Патент РФ №2191411 от 20.10.02, БИ №29.

2. Патент РФ №2192657 от 10.11.02, БИ №31.

3. Дефектоскопия №9, 1982 г., с.26.

Способ контроля напряженно-деформированного состояния массива горных пород, заключающийся в прозвучивании массива акустическими импульсными сигналами, приеме сигналов, прошедших контролируемый участок массива горных пород, отличающийся тем, что дополнительно для принятого акустического сигнала используют несколько пар схем «усилитель - временной селектор», соединенных последовательно, анализируют выбросы переднего и заднего фронтов предыдущего временного селектора, вырабатывают сигнал управления для последующего временного селектора, длительность которого равна разности между задним фронтом переднего выброса и передним фронтом заднего выброса предыдущей схемы временного селектора, выработанным сигналом управляют последующей схемой временного селектора, количество схем «усилитель - временной селектор» выбирают из заданного соотношения сигнал/помеха, которое определяют из выражения:
$$N=\frac{k^p{\displaystyle \underset{0}{\overset{\infty }{\int }}S\left(\omega \right)d\omega }}{\frac{k^p}{n^p}{\displaystyle \underset{0}{\overset{\infty }{\int }}A\left(\omega \right)d\omega +{\displaystyle \sum _{i=l}^p\frac{k^{\left(p-1\right)}}{n^{\left(p-1\right)}}{\displaystyle \underset{0}{\overset{\infty }{\int }}B\left(\omega \right)d\omega }}}}$$
где
S(ω) - полезный сигнал, подлежащий контролю;
A(ω) - сигнал входной помехи;
B(ω) - сигнал помехи от выбросов схемы временного селектора;
k - коэффициент усиления усилителя;
n - коэффициент режекции схемы временного селектора;
p - количество пар схем «усилитель - временной селектор».