Способ контроля сцепления анкерной крепи с массивом горных пород
METHOD FOR CONTROLLING THE ADHESION OF ANCHOR BOLTING TO A ROCK MASS

Изобретение относится к горной промышленности и предназначено для контроля сцепления анкерной крепи с массивом горных пород, необходимого для поддержания ею массива горных пород в устойчивом состоянии.
Известен способ испытания анкерной крепи (JP 2003139673 A, опублик. 14.05.2003) путем измерения усилия вытягивания анкера, в котором испытательное оборудование собирают на склоне массива горных пород, центрируя его вокруг стержня испытываемого анкера, и проводят испытание на вытягивание. В связи с этим к анкеру прилагается вытягивающая нагрузка за счет приведения в действие гидравлического домкрата через гидравлический насос.
Недостатком такого способа контроля анкерной крепи с помощью определения усилия вытягивания является повышенная трудоемкость испытания и опасность обрушения горных пород при контроле анкерного крепи кровли и стенок подземных горных выработок, а также бортов и уступов карьеров.
Наиболее близким по технической сущности к предложенному способу является способ контроля анкерной крепи массива горных пород (RU 2443867 С1, опубл. 27.02.2012), включающий ударное возбуждение вибраций в анкерной крепи и через нее в массиве горных пород посредством ударного механизма, цифровую регистрацию в виде последовательности отсчетов сигнала по времени, преобразование их в цифровой спектр в виде отсчетов по частоте, и спектральный анализ акустического сигнала отклика на удар по выступающему концу крепи из массива горных пород в анкерной крепи с помощью измерительной системы с последующей оценкой свойств массива горных пород и крепи. При этом регистрируют во времени акустический сигнал возбуждения вибраций в анкерной крепи, включающий зону движения ударного механизма к выступающему концу анкерной крепи, зону взаимодействия ударного механизма с анкерной крепью и зону реакции анкерной крепи, затем осуществляют вычисление спектра акустического сигнала возбуждения вибраций в анкерной крепи и делят на него спектр сигнала отклика на удар по выступающему концу анкерной крепи, после чего по полученному отношению судят о сцеплении анкерного крепления с массивом горных пород. Этот способ принят нами в качестве прототипа.
Недостатком данного способа при цифровой регистрации и обработке сигнала является большая погрешность расчета цифрового спектра и определения информативных параметров, по которым осуществляется оценка сцепления анкерной крепи с массивом горных пород.
Техническим результатом изобретения является повышение точности контроля сцепления анкерной крепи с массивом горных пород за счет повышения стабильности показаний и снижения погрешности при определении информативных параметров, по которым осуществляется контроль.
Технический результат достигается следующим образом.
Способ контроля сцепления анкерной крепи с массивом горных пород включает импульсное возбуждение вибраций в анкерной крепи, связующей массе и массиве горных пород посредством источника тестового сигнала, цифровую регистрацию с помощью измерительной системы последовательности временных отсчетов сигнала вибрационного отклика анкерной крепи на импульсный тестовый сигнал, преобразование временных отсчетов в цифровой спектр в виде спектральных отсчетов и его спектральный анализ с последующей оценкой сцепления анкерной крепи с массивом горных пород.
0
Отличие способа заключается в том, что определяют максимальное значение амплитуды цифрового спектра и соответствующую ей частоту, к которой определяют ближайшие нижнюю и верхнюю частоты цифрового спектра и соответствующие им значения амплитуд цифрового спектра, затем определяют частоту f, соответствующую максимальному значению амплитуды аппроксимирующего спектра, по формуле
1
А - максимальное значение амплитуды цифрового спектра,
1
1
f - частота, соответствующая максимальному значению амплитуды А,
2
1
f - ближайшая к f нижняя частота цифрового спектра,
2
2
A - значение амплитуды цифрового спектра, соответствующее частоте f,
3
1
f - ближайшая к f верхняя частота цифрового спектра,
3
3
А - значение амплитуды цифрового спектра, соответствующее частоте f,
затем определяют акустическую добротность Q по формуле:
0
и максимальное значение амплитуды А аппроксимирующего спектра по формуле:
по которым осуществляют оценку сцепления анкерной крепи и массива горных пород.
д
0
0
0
0
Способ контроля сцепления анкерной крепи с массивом горных пород основан на физических закономерностях, наблюдаемых при контроле сцепления анкерной крепи с массивом горных пород цифровыми методами. Сцепление анкерной крепи с массивом горных пород зависит от полноты заполнения связующей массой пространства между анкером и массивом горных пород. При хорошем контакте анкерной крепи с массивом горных пород это пространство полностью заполнено связующей массой. При этом несущая способность анкерной крепи соответствует установленным требованиям. Если связующая масса заполняет пространство между анкерной крепью и массивом пород не полностью, несущая способность анкерной крепи ниже требуемой, что недопустимо. Полнота или неполнота заполнения связующей массой сказывается также и на информативных параметрах контроля, которые должны измеряться с минимальной погрешностью. Цифровая регистрация сигналов, по которым определяются информативные параметры контроля, имеет свои особенности. Они обусловлены грубым интервалом дискретизации по частоте f при оценке информативных параметров спектра полезного сигнала отклика на удар - частоты f и амплитуды А спектрального максимума, а также акустической добротности Q=f/Δf, где Δf - ширина спектра на уровне А/√2. Этот недостаток является принципиальным и физически обусловлен малой длительностью полезного сигнала акустического отклика на удар из-за сильного затухания вибраций в анкерном креплении, имеющим контакт с массивом горных пород.
д
д
Интервал дискретизации по частоте f определяется формулой f=1/Т, где Т - длительность регистрации сигнала. Уменьшить интервал дискретизации, а вместе с ним и погрешность определения информативных параметров, можно было бы путем увеличения Т. Но увеличение длительности регистрации сигнала Т больше длительности полезного сигнала приводит к регистрации помимо основной части сигнала также участка его исчезающе малых значений в смеси с шумом. Это вызывает увеличение мощности шума без увеличения мощности полезного сигнала. При этом снижается отношение сигнал/шум, ухудшается точность определения информативных параметров, по которым оценивается сцепление анкерной крепи с массивом горных пород, достоверность его контроля также ухудшается. Интерполяция отсчетов цифрового спектра и расчет информативных параметров спектра по предложенным формулам решает указанную проблему.
Изобретение иллюстрируются чертежом, где на фиг. 1 представлена схема контроля сцепления анкерной крепи с массивом горных пород; на фиг. 2 - форма последовательности отсчетов по времени сигнала вибрационного отклика анкерной крепи на импульсный тестовый сигнал; на фиг. 3 цифровой спектр сигнала вибрационного отклика анкерной крепи на импульсный тестовый сигнал и аппроксимирующий спектр в случае совпадения максимумов их спектров; на фиг. 4 - цифровой спектр сигнала вибрационного отклика анкерной крепи на импульсный тестовый сигнал в случае несовпадения максимумов цифрового спектра и аппроксимирующего спектра; на фиг. 5 - цифровой спектр сигнала вибрационного отклика анкерной крепи на импульсный тестовый сигнал и аппроксимирующий спектр в случае несовпадения максимумов цифрового спектра и аппроксимирующего спектра и расчете информативных параметров контроля по аппроксимирующему спектру.
1
2
3
1
1
0
0
На чертеже показаны шпур 1, массив 2 горных пород, связующая масса 3, анкер 4, выступающий конец 5 анкера 4, гайка 6 и шайба 7, источник 8 тестового сигнала, приемник 9, усилитель 10, частотный фильтр 11, аналого-цифровой преобразователь 12, решающий блок 13, блоки 14 памяти, дисплей 15, блоки 10-15 образуют измерительную систему 16, цифровые временные отсчеты 17, точки 18 отсчетов цифрового спектра, кривая 19 цифрового спектра, точка 20 спектральных максимумов цифрового и аппроксимирующего спектров в случае их совпадения, точка 21, которой соответствует частота f в случае совпадения максимумов цифрового спектра и аппроксимирующего спектра, кривая 22 аппроксимирующего спектра, точка 23 пересечения кривой 19 и кривой 22 в случае совпадения максимумов цифрового спектра и аппроксимирующего спектра, которой соответствует частота f, точка 24 пересечения кривой 19 и кривой 22 в случае совпадения максимумов цифрового спектра и аппроксимирующего спектра, которой соответствует частота f, точка 25 спектрального максимума кривой 22 аппроксимирующего спектра в случае несовпадения максимумов цифрового спектра и аппроксимирующего спектра, первая точка 26 пересечения кривой 19 и кривой 22 в случае несовпадения максимумов цифрового спектра и аппроксимирующего спектра, вторая точка 27 пересечения кривой 19 и кривой 22 в случае несовпадения максимумов цифрового спектра и аппроксимирующего спектра, третья точка 28 пересечения кривой 19 и кривой 22 в случае несовпадения максимумов цифрового спектра и аппроксимирующего спектра, точка 29, в которой определяется частота f, в случае несовпадения максимумов цифрового спектра и аппроксимирующего спектра, уровень 30 полосы частот, соответствующей А/√2 в случае совпадения максимумов цифрового спектра и аппроксимирующего спектра, точка 31, в которой определяется частота f, уровень 32 полосы частот, соответствующей А/√2 в случае несовпадения максимумов цифрового спектра и аппроксимирующего спектра.
Способ осуществляется следующим образом.
В шпуре 1 в массиве 2 горных пород с помощью связующей массы 3 установлен анкер 4, являющийся основной частью анкерной крепи. На выступающем конце 5 анкера 4 размещены гайка 6 и шайба 7, находящиеся в плотном контакте с массивом 2 горных пород Гайка 6 и шайба 7 могут отсутствовать в некоторых конструкциях анкерной крепи. Выступающий конец 5 анкера 4 находится в механическом контакте с источником 8 тестового сигнала, выполненного, например, в виде механического ударника или излучающего пьезопреобразователя (на чертеже не показаны), и приемником 9, выход которого соединен с последовательно включенными усилителем 10, частотным фильтром 11, аналого-цифровым преобразователем 12, решающим блоком 13 с блоками памяти 14, и дисплеем 15. Блоки 10-15 образуют измерительную систему 16.
Цифровые временные отсчеты 17, зарегистрированные измерительной системой 16, в совокупности друг с другом имеют вид колебательного процесса, затухающего во времени (фиг. 2).
1
1
Точки 18, соответствующие отсчетам цифрового спектра, рассчитанные по временным отсчетам 17, размещаются на кривой 19 цифрового спектра, имеющей спектральный максимум в точке 20 с максимальным значением амплитуды A, которой соответствует частота спектрального максимума f в точке 21 (фиг. 3).
д
1
0
2
1
2
3
1
3
Разница частот между соседними спектральными отсчетами равна интервалу дискретизации f по частоте. В данном случае спектральный максимум кривой 19 цифрового спектра в точке 20 с максимальным значением амплитуды А совпадает с максимумом кривой 22 аппроксимирующего спектра с максимальным значением амплитуды А, устанавливаемого из условия совпадения кривой 19 цифрового спектра и кривой 22 аппроксимирующего спектра в точке 20 и еще в двух точках 23 и 24, соседних с точкой 20. Точке 23 соответствует нижняя частота f ниже частоты f и значение амплитуды А цифрового спектра, а точке 24 соответствует верхняя частота f выше частоты f и значение амплитуды А цифрового спектра.
1
0
Ввиду случайности регистрируемого сигнала точки 18 на кривой 19 цифрового спектра могут располагаться по-разному по отношению к кривой 22 аппроксимирующего спектра. В одном случае точка 20 кривой 19 цифрового спектра с максимальным значением амплитуды А совпадает с максимумом кривой 22 аппроксимирующего спектра с максимальным значением амплитуды А (фиг. 3).
0
1
1
3
3
В другом случае (фиг.4) спектральный максимум кривой 22 аппроксимирующего спектра в точке 25 с максимальным значением амплитуды А находится между соседними точками 26 и 27 кривой 19 цифрового спектра, которым соответствуют амплитуда А и частота f и амплитуда А и частота f. Точки 26 и 27 являются первой и второй точками пересечения кривой 19 цифрового и кривой 22 аппроксимирующего спектров.
2
2
1
Третьей точкой пересечения кривой 19 цифрового спектра и кривой 22 аппроксимирующего спектра является точка 28, которой соответствуют амплитуда А и частота f, определяемая в точке 29, ниже f.
1
0
1
1
0
0
При этом амплитуда А в точке 26 будет значительно меньше амплитуды А в точке 25 кривой 22 аппроксимирующего спектра. Определение акустической добротности Q как отношение частоты f в точке 26 к полосе частот на уровне 30, соответствующем А/√2, не будет соответствовать кривой 22 аппроксимирующего спектра с амплитудой А в точке 25 и частотой f, определяемой в точке 31, и будет иметь большую погрешность.
0
0
0
Амплитуда А в точке 25, частота f в точке 31, как и акустическая добротность Q, определенные по кривой 22 аппроксимирующего спектра с учетом уровня 32, соответствующего А/√2 (фиг. 5), имеют более близкие показания к этим же параметрам, полученным для случая совпадения спектральных максимумов кривых 19 и 22 цифрового и аппроксимирующего спектров, показанным на фиг. 3.
Таким образом, использование аппроксимации по предложенным формулам дает более стабильные показания и меньшую погрешность при определении информативных параметров, по которым осуществляется контроль сцепления анкера с массивом горных пород.
В процессе реализации способа с помощью источника 8 тестового сигнала осуществляется импульсное силовое воздействие на выступающий конец 5 анкера 4 и регистрация вибраций, создаваемых в анкере 4, приемником 9, который преобразует вибрации анкера 4 в электрический сигнал.
0
0
Электрический сигнал проходит через усилитель 10, частотный фильтр 11 и в аналого-цифровом преобразователе 12 преобразуется в цифровую форму. Показания в виде цифровых временных отсчетов 17 поступают в решающее устройство 13, в котором записываются в блоки 14 памяти и в котором рассчитываются информативные параметры контроля - частота f и амплитуда А спектрального максимума, а также акустическая добротность Q. По этим информативным параметрам в решающем устройстве производится оценка сцепления анкера с массивом пород. Обработка цифровых отсчетов 17, записанных в блоки 14 памяти, может осуществляться в измерительной системе 16 как оперативно, непосредственно в месте размещения анкера 4, так и позднее в лабораторных условиях.
1
2
1
При обработке электрического сигнала, соответствующего временными отсчетам 17, с помощью быстрого преобразования Фурье рассчитываются точки 18 отсчетов цифрового спектра, образующие кривую 19 цифрового спектра, в котором путем перебора и сравнения друг с другом отсчетов точек 18 определяется точка 20 спектральных максимумов цифрового и аппроксимирующего спектров в случае их совпадения, которой соответствует амплитуда А, кривая 22 аппроксимирующего спектра, точка 23 пересечения кривой 19 и кривой 22 в случае совпадения максимумов цифрового спектра и аппроксимирующего спектра, которой соответствует частота f, а также точка 21, которой соответствует частота f в случае совпадения максимумов цифрового спектра и аппроксимирующего спектра.
1
Для определения акустической добротности Q определяется ширина спектра на уровне 30 полосы частот, соответствующей A/√2 в случае совпадения максимумов цифрового спектра и аппроксимирующего спектра.
1
2
3
Кроме кривой 19 цифрового спектра на фиг. 3 изображена кривая 22 аппроксимирующего спектра, которые совпадают в точке 20 их спектральных максимумов, которой соответствует частота f, а также в точке 23, которой соответствует частота f, и в точке 24, которой соответствует частота f.
1
1
0
0
0
Ввиду влияния случайных факторов кривая 19 цифрового спектра и кривая 22 аппроксимирующего спектра могут располагаться так, что точка 26 максимального отсчета кривой 19 цифрового спектра, которой соответствуют амплитуда А и частота f, и точка 25 максимального отсчета кривой 22 аппроксимирующего спектра с максимальным значением амплитуды А не будут совпадать (фиг. 4), что приведет к значительной погрешности определения A, f и Q.
01
01
01
02
02
02
F
A
Q
При испытании описанного способа в качестве преобразователя вибрации использовался акселерометр с полосой регистрируемых частот от 20 Гц до 2,5 кГц. В качестве измерительной системы использовался компьютер с записью показаний в память и последующей их обработкой. Способ контроля сцепления анкерного крепления с массивом горных пород дает существенное снижение погрешности определения информативных параметров контроля. В случае несовпадения максимумов расчеты по точкам цифрового спектра F=1094.5 Гц, А=0.8439 В, Q=25,7, а по аппроксимирующей кривой дают F=1104 Гц, A=1.31 В, Q=65,8. Относительные погрешности в этом случае составляют: для частоты спектрального максимума γ=0,86%; для амплитуды спектрального максимума γ=35,6%; для добротности γ=60,9%, т.е. они значительны.
03
03
03
04
04
04
F
A
Q
При использовании изобретения относительные погрешности малы и близки к погрешностям для случая совпадения максимумов. Расчеты по точкам цифрового спектра дают F=1036,9 Гц; A=0,82 В; Q=17,7, а по аппроксимирующей кривой F=1036,9 Гц; А=0,82 В; Q=17,19. Относительные погрешности составляют: для частоты спектрального максимума γ=0%; для амплитуды спектрального максимума γ=0%; для добротности γ=2,8%.
0
Таким образом предлагаемый способ и расчетные формулы существенно повышают стабильность показаний в случаях совпадения и несовпадения максимумов цифрового и аппроксимирующего спектров и в значительной степени снижают погрешность определения информативных параметров, по которым оценивается сцепление анкерной крепи с массивом горных пород. Дополнительным преимуществом предлагаемого способа контроля сцепления анкерной крепи с массивом горных пород является повышение точности определения длины анкерного крепления, осуществляемого по частоте спектрального максимума f.