УСТАНОВКА ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ГЛУБИНЫ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ СПЕКТРАЛЬНО-АКУСТИЧЕСКОГО МЕТОДА КОНТРОЛЯ НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ

Полезная модель относится к области неразрушающего контроля напряженного состояния горного массива, а именно к установкам для исследования глубины чувствительности спектрально-акустического метода контроля напряженного состояния горного массива впереди подготовительной выработки.
Спектрально-акустический метод основан на экспериментально и аналитически установленном факте более сильного возрастания амплитуд высокочастотных гармоник в спектре шумов работающего оборудования по сравнению с амплитудами низкочастотных гармоник при приближении забоя выработки к зоне повышенных напряжений [1, 2].
В данном методе призабойное пространство зондируется акустическими колебаниями, генерируемыми исполнительным (режущим) органом комбайна (или других работающих механизмов: струга, буровой установки, отбойного молотка или специально разработанного устройства). При использовании метода в подготовительной выработке приемник акустических колебаний (геофон) устанавливается в борт выработки на некотором расстоянии от забоя.
Экспериментально установлено, что, несмотря на то, что геофон находится позади груди забоя, метод позволяет зафиксировать приближение к опасной по проявлению динамических явлений зоне, находящейся впереди забоя. Причем выявленная опасность, как показано теоретическими и экспериментальными исследованиями, при использовании этого метода обусловлена преимущественно ростом напряжений. Однако научного обоснования глубины чувствительности этого метода впереди подготовительной выработки в настоящее время нет. Поэтому разработана и изготовлена предлагаемая установка для моделирования напряженного состояния призабойного пространства впереди подготовительной выработки, зондирования его акустическими колебаниями и приема их датчиками, установленными позади забоя.
По амплитудно-частотной характеристике принятого акустического сигнала по соответствующим алгоритмам определяется коэффициент относительных напряжений. Радиус чувствительности спектрально-акустического метода будет определяться номером наиболее удаленного от груди забоя прижимного элемента, для которого будет зафиксировано увеличение коэффициента относительных напряжений.
Наиболее близким техническим решением подобного назначения является универсальный учебно-исследовательские стенд изучения генерации и распространения акустических волн в элементах промышленных объектов от имитаторов реальных источников акустической эмиссии (Патент России №2608969. 2017. Бюл. №4. / Растегаев И.В., Данюк А.В., Мерсон Д.Л., Виноградов А.Ю.). Известное техническое решение состоит из макета объемного объекта, представляющего собой емкость, состоящую из двух эллиптических или полусферических днищ и цилиндрической обечайки, сваренных между собой и установленных на опору, а также люк-лаза, комплекта присоединительной арматуры (штуцеров и вентилей), имитаторов дефектов и их крепления, нагружающего устройства (компрессор с ресивером, гидроаккумулятор, раздаточный коллектор, датчики давления, клапаны, вентили) и трубопроводов, предназначенных для наполнения емкости жидкой или газообразной рабочей средой, и системы для регистрации и анализа акустических сигналов.
К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата, при использовании известного устройства, принятого за ближайший аналог, относится:
- макет объекта не является моделью подготовительной выработки;
- макет объекта не предусматривает наличия акустических ловушек, поэтому звук, отражаясь от стенок макета до полного затухания, накладывается на основной сигнал и искажает его амплитудно-частотную характеристику;
- в качестве рабочей среды может быть использована только жидкость или газ;
- нет возможности плавного изменения и перемещения поля напряжений;
Задачей настоящей полезной модели является моделирование подготовительной выработки в заданном масштабе при обеспечении плавного изменения поля напряжений в моделируемом призабойном пространстве впереди моделируемой подготовительной выработки от 0 до 5 МПа, с возможностью регулировки отношения между максимальным и минимальным значениями напряжений в пределах от 1 до 1,5; обеспечении перемещения положения зоны максимума создаваемого напряжения относительно моделируемой груди забоя выработки на расстояние от 0,2 до 1,4 ширины выработки дискретно с шагом, равным 0,2 ширины выработки; с реализацией изолирования излучателя акустических колебаний от корпуса модели; подавления отраженных акустических колебаний от стенок модели за счет наличия акустических ловушек по всему периметру модели и покрытия поверхности звукопоглощающим материалом; моделированием источником акустических колебаний акустического излучения («шума») работающего горного оборудования, в частности, проходческого комбайна, которым зондируется призабойное пространство; изучением с помощью системы для регистрации и анализа акустических сигналов влияния удаления моделируемого максимума опорного давления от забоя выработки на спектральный состав «шума» работающего оборудования, по которому определятся глубина чувствительности спектрально-акустического метода контроля напряженного состояния.
Технический результат заявляемого технического решения: моделирование напряженного состояния призабойного пространства впереди подготовительной выработки и акустического излучения работающего проходческого комбайна впереди и вдоль борта подготовительной горной выработки для зондирования призабойного пространства акустическими колебаниями и приема их датчиками, установленными позади забоя, а также оценка влияния расстояния моделируемого максимума опорного давления от забоя выработки на спектральный состав «шума» работающего оборудования, по которому определятся глубина чувствительности спектрально-акустического метода контроля напряженного состояния.
Указанный технический результат достигается тем, что в установке для исследования глубины чувствительности спектрально-акустического метода контроля напряженного состояния, содержащей корпус-емкость, заполняемый рабочей средой, а также генератор акустических волн и систему для регистрации и анализа акустических сигналов, согласно предлагаемому техническому решению, корпус-емкость выполнен таким образом, что своей геометрической формой он повторяет подготовительную выработку в заданном масштабе, а также наличием внешней рамы, независимых друг от друга прижимных элементов, акустических ловушек и звукопоглощающего изолирующего материала.
Заявляемое техническое решение поясняется чертежами, где на фиг. 1 показана установка в сборе в изометрии; на фиг. 2 - корпус-емкость установки без рамы в изометрии; на фиг. 3 - корпус-емкость установки без рамы сбоку; на фиг. 4 - корпус-емкость установки без рамы сбоку спереди; на фиг. 5 - корпус в разрезе; на фиг. 6 - схема расположения преобразователей акустических колебаний в электрические, с выходов которых сигналы поступают на вход системы для регистрации и анализа акустических сигналов (на чертеже не показана).
Заявляемое устройство включает в себя: внешнюю раму 1, выполняющую опорную и усиливающую функции корпуса установки 2. В направляющие отверстия в верхней части рамы установлены прижимные винты 3. Корпус-емкость установки более подробно представлен на фиг. 2-6. Он состоит из дна 4, крышек 5-7, крышки зоны нагнетания давления 8 и прижимных элементов 9. В отверстия крышек 6 и прижимных элементов 9, в зависимости от условий эксперимента, установлены либо датчики давления 10, либо заглушки 11. Дно 4 может быть как цельным, так и разборным, состоящим из нескольких частей. При этом, в собранном виде составные части должны полностью повторять геометрию цельного варианта. Дно 4 и крышки 5 и 7, благодаря своей особой геометрии, на торцах корпуса установки 2 формируют акустические ловушки 12 и 13, подавляющие отраженные акустические колебания; а дно 4, крышки 6 и крышки зоны создания необходимого давления 8 - формируют акустические ловушки 14 и 15. В стенке 16 дна 4, моделирующей грудь забоя выработки, имеются два отверстия. В зависимости от условий эксперимента в них установлены либо генератор акустических колебаний 17, либо заглушка 18. Генератор акустических колебаний не должен касаться корпуса установки 2, поэтому он изолируется от него прокладкой 19. В борту модели выработки 20 дна 4 установлены датчики-преобразователи акустических колебаний 21, сигналы с выходов которых поступают на вход системы для регистрации и анализа (на чертеже не показана). Внизу дна 4 установлен трубопровод 22, с вмонтированным в него элементами системы орошения 23. Весь внутренний периметр корпуса установки 2 покрыт звукопоглощающим материалом 24.
В качестве модельного материала (позиция на чертежах не показана), для моделирования горного массива в заявляемом техническом решении, предлагается использовать песок. Акустические свойства (скорости продольных и поперечных волн, коэффициент затухания) каменных углей различных месторождений сильно отличаются друг от друга [3]. Поэтому моделирующий материал должен позволять эти изменения учитывать (осуществлять). Это достигается за счет использования песка в качестве материала, моделирующего угольный пласт, поскольку скорость акустических волн песка сильно (более чем на порядок величины) зависит от влажности [4]. Кроме того, с увеличением влажности возрастает связь между частицами песка, и коэффициент затухания уменьшается.
п
в
м
Для получения на установке, моделирующей напряженное состояние массива горных пород с подготовительной выработкой, данных по влиянию напряженного состояния в призабойной зоне на амплитудно-частотную характеристику акустического «шума» работающего оборудования, аналогичных тем, которые получили бы в реальной горной выработке, выбор частотного диапазона на модели должен быть произведен в соответствии с принципом подобия. В соответствии с этим принципом, для сохранения условий распространения звука вдоль бортов выработки от излучателя до приемника, аналогичных реальной выработке, отношение размеров ширины выработки  и модели  (коэффициент подобия К) должно быть таким же, как соотношение длин волн в выработке λ и модели λ.
Для определения коэффициента подобия и рабочих частот установки определим следующие исходные данные:
1. Ширина реальной горной выработки в средней части: 3-5 м. Поэтому принимаем . Ширина модели горной выработки в заявляемом техническом решении задается в соответствии с выбранным масштабным коэффициентом. Для примера, возьмем соотношение размеров ширины моделируемой и реальной подготовительной выработки 1:20. Тогда ширина модели горной выработки в заявляемом техническом решении будет равна
в
2. Диапазон регистрируемых частот ƒ аппаратурой для прогноза динамических явлений спектрально-акустическим методом, например, САКСМ: 20-3500 Гц.
у
3. Скорость продольного звука в угле С ≈ 3000 м/с [1].
м
4. Скорость продольного звука в песке С сильно зависит от его влажности [2] и для неводонасыщенного состояния изменяется в пределах 200-700 м/с.
n
Для принятых условий коэффициент подобия К будет равен:
м
в
где λ и λ - соответственно длина волны в модели и в выработке, м.
в
Длина волны в выработке λ равна:
у
где С - скорость звука в угле.
Тогда из (1) имеем:
м
Частота излучения в модели ƒ равна:
С учетом возможных изменений скорости звука полагаем, что возможный диапазон частот в модели находится в пределах 20-20000 Гц. Заявляемое устройство работает следующим образом:
1. производят установку корпуса-емкости 2 во внешнюю раму 1;
2. при открытых крышках 5-7, и крышках зоны нагнетания давления 8, в дно 4 корпуса 2 загружают модельный материал, имитирующий горный массив (песок; позиция на чертежах условно не показана);
3. закрывают крышки 5-8 и устанавливают прижимные элементы 9;
4. устанавливают датчики давления 10 и производят их подключение к источникам питания и регистрирующей аппаратуре (на чертеже не показана) и заглушки 11;
5. во внешнюю раму 1 устанавливают прижимные винты 3 и поочередно закручивают их до контакта с крышками 6, либо с прижимными элементами 9, после чего затягивают их на один оборот прижимного винта 3, для создания сопротивления открытию во время проведения эксперимента;
6. устанавливают генератор акустических колебаний 17 в одно из отверстий на стенке, моделирующей грудь забоя, во второе отверстие этой стенке ставят заглушку, и устанавливают датчики-преобразователи акустических колебаний 21;
7. проверяют безопасность, проводят оценку работоспособности и настройку всех электрических систем;
8. трубопровод 22 через насос подключают к системе водоснабжения (баку);
9. производят предварительную затяжку прижимных винтов 3 и убеждаются в том, что датчики давления 10, установленные под крышками 6 и прижимными элементами 9, регистрирует изменение давления;
10. под крышками 6 устанавливают давление в 2-3 МПа и сохраняют его постоянным во время эксперимента;
11. при выключенном генераторе акустических колебаний регистрируют во времени амплитуду сигналов, снимаемых с датчиков-преобразователей акустических колебаний 21;
12. максимальное значение измеренной амплитуды принимается за уровень акустической помехи; с целью ее снижения выбирают такое место для размещения установки, рядом с которым нет работающих механизмов, излучающих акустические колебания;
13. включают генератор акустических колебаний 17 и производят увеличение давления впереди моделируемой выработки по всем прижимным элементам 9, путем затягивания прижимных винтов 3 для создания неравномерного напряженного состояния впереди модели забоя выработки; при этом песок, которым заполнен корпус установки 3 должен быть сухим, с относительной влажностью 1-2%;
14. с датчиков-преобразователей акустических колебаний 21 снимают амплитудно-частотную характеристику (АЧХ) акустического сигнала;
15. увеличение давления под прижимными элементами 9 производят дискретно с шагом в 1 МПа вплоть до предельного давления в 5 МПа; на каждой ступени подъема давления осуществляют выдержку в течение 5 минут и анализируют амплитудно-частотную характеристику акустического сигнала; затем давление поднимают до следующей ступени и вновь анализируют амплитудно-частотную характеристику акустического сигнала;
16. давление под каждым из прижимных элементов 9 устанавливают таким образом, чтобы по мере удаления от груди забоя модели выработки, давление увеличивалось на 0,7 МПа, начиная с 0,8 МПа под первым прижимным элементом 9 и до 5,0 МПа под седьмым прижимным элементом 9;
17. измерение и контроль давления на протяжении всего процесса нагружения установки осуществляют с помощью датчиков давления 10;
18. в случае, если на некоторых датчиков-преобразователей акустических колебаний 21 амплитуда сигнала слишком мала (близка к уровню помех), производят увлажнение песка на 1-2%, посредством подачи воды в трубопровод 22, и вновь проводят снятие АЧХ;
19. увлажнение песка проводят до тех пор, пока не будет зарегистрирован сигнал, амплитуда которого превышает не менее чем в 3 раза амплитуду помех;
20. путем затягивания и ослабления прижимных винтов 3 создаются необходимые эпюры напряжений в модели призабойного пространства, в соответствии с условиями эксперимента и повторяют пп. 15-20;
21. для исследования влияния дифракции звука в области примыкания забоя выработки с ее бортом на глубину чувствительности спектрально-акустического метода меняют местами генератор акустических колебаний 17 и заглушку 18.
Заявляемое техническое решение позволяет:
- смоделировать подготовительную выработку в заданном масштабе;
- в ней создать акустическое излучение, параметры которого установлены в соответствии с принципом подобия подобными параметрам акустического излучения работающего проходческого комбайна в реальной выработке;
- зарегистрировать акустическое излучение датчиками позади моделируемого забоя выработки;
- обеспечить плавное изменение поля напряжений в моделируемом призабойном пространстве впереди моделируемой подготовительной выработки от 0 до 5 МПа, с возможностью регулировки отношения между максимальным и минимальным значениями напряжений в пределах от 1 до 1,5;
- обеспечить перемещения положения зоны максимума создаваемого напряжения относительно моделируемой груди забоя выработки на расстояние от 0,2 до 1,4 ширины выработки дискретно с шагом, равным 0,2 ширины выработки.
- минимизировать влияние сторонних факторов на исследуемый акустический сигнал;
- по амплитудно-частотной характеристике принятого акустического сигнала по соответствующим алгоритмам определить коэффициент относительных напряжений;
- определить радиус чувствительности спектрально-акустического метода по расстоянию от забоя выработки до наиболее удаленного прижимного элемента, для которого будет зафиксировано увеличение коэффициента относительных напряжений с ростом.
Список источников
1. Мирер С.В. Спектрально-акустический прогноз выбросоопасности угольных пластов / С.В. Мирер, О.И. Хмара, А.В. Шадрин. - М. - Кемерово: Кузбассвузиздат, 1999. - 92 с.
2. Шадрин А.В. Сравнительный анализ вариантов исполнения спектрально-акустического метода прогноза динамических явлений / А.В. Шадрин, А.А. Контримас, А.С Телегуз // Наукоемкие технологии разработки и использования минеральных ресурсов: науч. журнал / Сиб. гос. индустр. ун-т; под общей ред. В.Н. Фрянова. - Новокузнецк, 2018. - №4. С 370-375.
3. Азаров Н.Я. Сейсмоакустический метод прогноза горногеологических условий эксплуатации угольных месторождений / Н.Я. Азаров, Д.В. Яковлев. - М: Недра, 1988. - 199 с.
4. Ляховицкий Ф.М. Инженерная геофизика / Ф.М. Ляховицкий, В.К. Хмелевский, З.Г. Ященко. - М.: Недра, 1989. - 251 с.