способ прогноза разрушения массива горных пород

Формула изобретения

Способ прогноза разрушения массива горных пород, включающий регистрацию во времени сигналов электромагнитного излучения (ЭМИ), измерение их амплитуд и длительностей от начала нагружения и построение по результатам измерений спектрально-временной матрицы спектральных амплитуд сигналов ЭМИ по мере роста частоты и времени, отличающийся тем, что на указанной матрице выделяют частотные поддиапазоны по мере роста частот, в каждом из которых отмечают равные спектральные амплитуды сигналов ЭМИ, обводят замкнутой линией занимаемую ими площадь и определяют ее размеры, затем определяют соотношение размеров площади S_n n-го частотного поддиапазона (n=2,3,4,...) к площади S₁ первого частотного поддиапазона и по увеличению соотношений этих площадей судят о начале интенсивного возникновения трещин, причем критическим соотношением, при котором происходит переход от процесса интенсивного возникновения и нарастания трещин к началу разделения сплошности массива горных пород, считают соотношение S_n=(2÷4)S ₁, по которому прогнозируют дробление площадей на указанной матрице в более высоких частотных поддиапазонах, характеризующее разрушение массива горных пород.

Описание изобретения к патенту

Предлагаемое техническое решение относится к горному делу и может быть использовано для контроля и прогноза динамических проявлений в массивах горных пород в виде разрушений отдельных участков, вывалов, заколов, стреляний и т.д.

Известен способ контроля нарушения сплошности массива горных пород по а.с.СССР №1101552, кл. Е 21 С 39/00, опубл. в БИ №25 за 1984 г., основанный на регистрации импульсов электромагнитной эмиссии по длине выработки, измерении длительности импульсов электромагнитной эмиссии, определении средней длительности импульсов, возникающих при распределении горного давления, которую принимают за эталонную, выделении импульсов с длительностью, более чем на порядок превышающих эталонную, по появлению которых судят о возникновении расслоения - о нарушении сплошности массива горных пород.

Недостатком этого способа является следующее. Регистрация количества импульсов и изменение длительности сигнала электромагнитной эмиссии не всегда являются факторами, которые характеризуют начало разрушения массива горных пород, т.к. его длительность может изменяться под воздействием других событий, например при обводненности участка массива горных пород, когда его электрические характеристики (электрическая проводимость и диэлектрическая проницаемость) существенно различаются от аналогичных характеристик других участков, сигнал ЭМИ может иметь характеристики, существенно отличающиеся от характеристик, возникающих в неувлажненных участках, и, следовательно, другие, значительные по длительности периоды колебаний, которые не являются результатом изменения напряженно-деформированного состояния (НДС) массива.

Другим недостатком является то, что в зонах контакта двух или более различных по своим физико-механическим свойствам участков горных пород сигнал электромагнитной эмиссии может иметь характеристики, также отличающиеся от характеристик сигналов электромагнитной эмиссии в однородной среде, и при этом иметь значительные по величине периоды колебаний (их длительности), что также не будет являться результатом изменения НДС массива, а характеризует лишь изменение свойств на границе раздела сред. Еще одним недостатком является то, что при наличии различного рода пустот, каверн и включений в горной породе характеристики сигналов электромагнитной эмиссии на этом участке массива также могут существенно разниться между собой и не зависеть от изменения НДС массива.

Наиболее близким к предлагаемому способу по технической сущности и совокупности существенных признаков является способ прогноза разрушения массива горных пород по а.с.СССР №1562449, кл. Е 21 С 39/00, опубл. в БИ №17 за 1990 г., который включает регистрацию во времени эмиссионных импульсов в массиве, определение частоты их максимума спектральной плотности, одновременное измерение амплитуды максимальной спектральной составляющей, определение скорости изменения амплитуды по времени и по частоте и по одновременному уменьшению обеих скоростей определение начала разрушения массива, при этом в качестве эмиссионных импульсов регистрируют импульсы электромагнитного излучения (ЭМИ).

Недостатком этого способа является следующее. Количество импульсов сигналов ЭМИ не всегда является основной характеристикой, определяющей приближение динамического проявления в массиве, т.к. их появление может быть связано с разгрузкой механических напряжений в массиве. Кроме того, определение скорости изменения максимальной спектральной амплитуды по времени и по частоте - достаточно громоздкая задача, что требует дополнительного времени для анализа сложившейся ситуации, а потому не всегда возможно при приближении процесса разрушения.

В предлагаемом способе поставлена техническая задача по повышению точности прогноза начала разрушения массива горных пород за счет детализации процесса нарастающего разрушения и конкретизации его этапов.

Поставленная задача решается тем, что в способе прогноза разрушения массива горных пород, включающем регистрацию во времени сигналов ЭМИ, измерение их амплитуд и длительностей от начала нагружения и построение по результатам измерений спектрально-временной матрицы спектральных амплитуд сигналов ЭМИ по мере роста частоты и времени, согласно техническому решению на указанной матрице выделяют частотные поддиапазоны по мере роста частот, в каждом из которых отмечают равные спектральные амплитуды сигналов ЭМИ, обводят замкнутой линией занимаемую ими площадь и определяют ее размеры, затем определяют соотношение размеров площади S_n n-го частотного поддиапазона к площади S₁ первого частотного поддиапазона и по увеличению соотношений этих площадей судят о начале интенсивного возникновения трещин, причем критическим соотношением, при котором происходит переход от процесса интенсивного возникновения и нарастания трещин к началу разделения сплошности массива горных пород, считают соотношение S_n=(2-4)S₁, по которому прогнозируют дробление площадей на указанной матрице в более высоких частотных поддиапазонах, характеризующее разрушение массива горных пород.

Выделение на спектрально-временной матрице частотных поддиапазонов по мере роста частот и в каждом из них равных спектральных амплитуд сигналов ЭМИ, обведение замкнутой линией занимаемой ими площади и определение ее размеров позволяет иллюстрировать физический процесс возникновения и нарастания в этих поддиапазонах большого количества мелких трещин на исследуемом участке массива горных пород, которые являются отображением в сигналах ЭМИ высокочастотных составляющих. Определение соотношений размеров площади S _n n-го частотного поддиапазона (n=2, 3, 4,...) к площади S₁ первого частотного поддиапазона позволяет при увеличении соотношений судить о начале интенсивного возникновения трещин, а при S_n=(2-4) S₁ сделать вывод о наступлении критического момента перехода от процесса интенсивного возникновения и нарастания трещин к началу разделения сплошности массива горных пород. Таким образом, процесс разрушения детализируется, и конкретизируются его отдельные этапы. Так, за этапом возникновения и нарастания мелких трещин следует этап интенсивного, т.е. ускоренного, их нарастания, а переход от интенсивного нарастания трещин к моменту начала разделения сплошности определяют по выполнению приведенного соотношения S_n=(2-4)S₁. Последующее дробление в более высоких частотных поддиапазонах площадей равных спектральных амплитуд свидетельствует о разрушении массива горной породы. Таким образом, совокупность указанных признаков позволяет детализировать процесс нарастающего разрушения и конкретизировать его этапы, т.е. более точно прогнозировать разрушение участка массива горной породы на отдельные части, и таким образом решить поставленную задачу.

Сущность технического решения поясняется примером реализации способа и чертежом, на котором схематично представлена спектрально-временная матрица 1 спектральных амплитуд сигналов ЭМИ (далее - матрица 1) с выделением частотных поддиапазонов 2 (далее - поддиапазоны 2), на которой выделены площади 3 равных спектральных амплитуд (далее - площади 3).

Предлагаемый способ реализуют следующим образом. На исследуемом участке массива горных пород (далее - массив) в течение определенного времени, например в течение 1 часа, регистрируют сигналы ЭМИ, являющиеся электромагнитным отражением механического состояния массива. При этом регистрируют как амплитуды сигналов ЭМИ, так и их длительности (периоды). Затем по результатам измерений строят с помощью процедуры быстрого преобразования Фурье матрицу 1 (см. чертеж) в диапазоне частот f в течение времени t, отмечая координаты спектральных амплитуд сигналов ЭМИ. После этого на матрице 1 выделяют поддиапазоны 2 по мере роста частот, внутри каждого из которых проводят разбиение частот на более мелкие.

Допустим, сигнал ЭМИ регистрируют в диапазоне частот от 0 до 5 кГц, тогда на матрице 1 выделяют, например, 10 поддиапазонов 2, между которыми имеются частотные интервалы в 300-500 Гц, которым соответствуют минимальные спектральные амплитуды. Например, первый поддиапазон 2 от 0 до 342 Гц, второй от 635 до 1025 Гц, третий - от 1318 до 1709 Гц и т.д. При этом внутри каждого поддиапазона 2 интервалы между соседними частотами достигают от 48 до 49 Гц, а всего количество частот в поддиапазоне 2 достигает 8 или 9. Например, внутри пятого поддиапазона выделяют частоты 2637, 2686, 2734, 2783, 2832, 2881, 2930 и 2979 Гц. При этом каждой частоте на матрице 1 соответствуют свои спектральные амплитуды сигналов ЭМИ. Затем на матрице 1 в каждом поддиапазоне 2 отмечают равные спектральные амплитуды A₁=А ₂=...A_n=A_n+1 (1, 2,...n, (n+1) – порядковые номера поддиапазонов 2), например 500-799, обводят замкнутой линией занимаемую ими площадь 3 на матрице 1 в каждом поддиапазоне 2 и определяют ее размеры. Например, площадь 3 амплитуд 500-799 в первом поддиапзоне 2 (0-342) Гц равна 88 отн.ед., площадь 3 этих же спектральных амплитуд (500-799) в третьем поддиапазоне 2 равна 91 отн. ед. Сравнивая площади 3 в разных поддиапазонах 2, видят, что они примерно равны. Пусть теперь в массиве проходят выработку, под действием приближения которой происходит перераспределение напряжений, и исследуемый участок массива начинает разрушаться. Тогда при регистрации сигналов ЭМИ на их матрице 1 происходят следующие изменения. В каждом поддиапазоне 2 площади 3 по мере роста частот увеличиваются. Например, площадь 3 амплитуд 500-799 в первом поддиапзоне 2 равна 134 отн.ед, во втором - увеличивается до 159 отн. ед., в третьем - до 178 отн. ед., в n-ном поддиапазоне 2 достигает значения 417отн.ед. и в (n+1) поддиапазоне 2 уменьшается до 41 отн.ед. Таким образом, видно, что площади 3 по мере роста частот начинают увеличиваться, что свидетельствует о возрастании высокочастотной компоненты в спектре сигнала и является результатом возникновения большого количества мелких трещин. При достижении соотношений S_n=(2-4)S₁ (для разных горных пород) процесс интенсивного накопления трещин переходит в критическую стадию начала разделения сплошности массива. Если S₁ равно 134 отн.ед., a S₅ равно 417 отн.ед., тогда соотношение S₅/S₁ равно 3,1, и считают, что это - критический момент перехода от стадии накопления трещин к началу разделения сплошности данного массива, по которому прогнозируют начало последующего дробления площади 3 (S₆=41 отн.ед.) по мере роста частот на матрице 1, характеризующее разрушения массива.

Полученное соотношение применимо для мраморных образцов, для диабазов будет иметь место соотношение S_n /S₁=2, для песчаников и известняков - S_n /S₁=4.

Таким образом, заявляемый способ повышает точность прогноза, т.к. позволяет детализировать процесс нарастающего разрушения и конкретизировать его этапы.