О принципах ультразвуковой структурной диагностики приконтурного массива с использованием шумовых зондирующих сигналов

УДК 622.02:539.2

© В.Л. Шкуратник, П.В. Николенко, A.A. Кормнов, 2015

В.Л. Шкуратник, П.В. Николенко, А.А. Кормнов

О ПРИНЦИПАХ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ СТРУКТУРНОЙ ДИАГНОСТИКИ ПРИКОНТУРНОГО МАССИВА

С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ШУМОВЫХ ЗОНДИРУЮЩИХ

*

СИГНАЛОВ

Рассмотрены достоинства и недостатки методов импульсного ультразвукового (УЗ) прозвучивания и каротажа при оценке структурных неоднород-ностей и напряженного состояния массива в окрестностях горных выработок. Отмечено, что переход от импульсных к непрерывным шумовым УЗ сигналам со средним равным нулю и ограниченным спектром позволяет увеличить базы контроля за счет повышения закачиваемой в массив энергии и более эффективного возбуждения пьезоэлектрических преобразователей. Показано, что извлечение искомой информации о структурных особенностях приконтурного массива может базироваться на анализе взаимной и автокорреляционной функций ультразвуковых шумовых сигналов, прошедших исследуемый участок массива. Приведены аналитические выражения указанных функций, учитывающие частотноизбирательные свойства электроакустического тракта УЗ измерений, который рассматривается как линейная система с коэффициентом передачи, аналогичным фильтру нижних частот, крутизна которого зависит от степени повреж-денности геосреды. Обоснованы энергетические, амплитудные, временные и частотные информативные параметры УЗ корреляционного метода геоконтроля. Представлены возможные схемы его реализации применительно к решению задач выявления границы основной и непосредственной кровли, наличия расслоений на этой границе, а также степени однородности и нарушенности пород кровли.

Ключевые слова: горные выработки, устойчивость, ультразвук, контроль, структура, шум, корреляционные методы, схемы измерений

Согласно принятой в инженерной геологии классификации оценка и прогноз фактического состояния горных выработок на определенный момент или промежуток времени относятся к разряду оперативных [1]. Они призваны характеризовать текущую структурную и функциональную устойчивость выработок на основе получения непрерывной или дискретно-непрерывной информации о структурной повреж-денности и напряженно-деформированном состоянии

Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки РФ в рамках госзадания №2014/97.

приконтурного массива, а также их изменений во времени и пространстве.

С середины 60-х готов прошлого века для получения указанной информации стал активно применяться ультразвуковой (УЗ) метод, реализуемый в вариантах межскважинного прозву-чивания или каротажа горных пород в окрестностях выработок. При этом использовался изначально и продолжает использоваться до настоящего времени импульсный режим излучения УЗ сигналов, после приема которых на заданной базе Ь контроля, измеряются их кинематические и динамические информативные параметры. Чаще всего это время 1Р между моментами излучения и приема указанных сигналов, которое далее пе-ресчитывается в скорость распространения СР продольных упругих волн в геосреде. Величина СР, в свою очередь, коррелирует с НДС горных пород и степенью их нарушенности [2,3].

Описанный УЗ время-импульсный метод, обладая на сегодняшний день достаточно совершенным аппаратурным обеспечением [4], имеет и ряд недостатков. Первый из них - это ограниченные базы контроля Ьтах и точность измерения величины что обусловлено высоким частотнозависимым затуханием ультразвука в горных породах, второй - низкая чувствительность параметра СР по отношению к изменениям как структурной нарушенности контролируемых участков массива, так и их НДС [5].

Одним из перспективных направлений преодоления указанных недостатков представляется использование для УЗ контроля приконтурного массива шумовых зондирующих сигналов и их корреляционных характеристик в качестве информативных. Соответствующий метод контроля, получивший название корреляционного, впервые был предложен и опробован более 40 лет назад применительно к дефектоскопии блоков природного камня [6]. Было установлено, что использование шумовых зондирующих сигналов позволяет существенно увеличить возможные базы прозвучивания за счет значительной «закачиваемой» в массив акустической энергии и более эффективного возбуждения пьезоэлектрических преобразователей (ПЭП). Однако, своего дальнейшего развития корреляционный метод так и не получил из-за существенных для того времени проблем аппаратурного и методического характера. Сейчас, когда появилась реальная возможность решения указанных проблем, актуальной становится задача адаптации УЗ корреляционного

метода применительно к оценке состояния массива в окрестностях горных выработок. Первым шагом на пути решения этой задачи является теоретическое обоснование информативных параметров и схем реализации метода, чему и посвящена настоящая работа.

Независимо от конкретной схемы контроля участки массива между конкретными излучателем И1 и приемниками П УЗ сигналов будем рассматривать как линейные системы, частотные характеристики НА которых аналогичны характеристикам фильтра нижних частот

Н

где а,(() - частотнозависимое затухание геосреды на базе Ь,-контроля между соответствующими излучателем и приемником.

-------- гг --------

си-

У1+1

Рис. 1. Обобщенная схема УЗ корреляционного контроля геосреды

Пусть электрический сигнал х, возбуждающий излучающий ПЭП, представляет собой белый шум со средним равным нулю. Амплитудный спектр этого сигнала Сх(()=А=сопв1 при всех частотах (. Отметим, что полоса частот реального белого шума всегда конечна. В противном случае пришлось бы считать, что сигнал имеет либо бесконечную мощность, либо нулевую спектральную плотность. УЗ сигнал на выходе излучающего ПЭП с резонансной частотой (0 имеет ограниченную полосу частот Д(, определяемого добротностью Р=(о /Л(. Откуда следует, что спектральная плотность амплитуд излученного УЗ сигнала при идеальной прямоугольной АЧХ ПЭП и его коэффициенте электроакустического преобразования к1

ОхЛО =

кА при ((о - Д(/2) < ( < ((о + Д/2) 0 при ((о - Д(/2) > (> ((о + Д(/2).

Если коэффициент акустоэлектрического преобразования приемных ПЭП равен k2, то с учетом (1) и (2) спектральная плотность амплитуд принятых сигналов может быть записана в виде

Gy¡

Gy

Используя соотношения (3), (4) и известные преобразования [7], связывающие корреляционные и спектральные характеристики ограниченных в полосе Af шумовых сигналов со средним ц = 0, получим

B. / у (^(т) = T í y¡ (t) У( ¡+i)(t + T)dt =

1 о

= (Л2 • k2 • • п • Af] x exp[-a¡(f)Lt - a(¡+1)(f]L¡¡+ц] x

sin nAfт 0 ,

x--—x cos2nA/0т,

n^Af•т

i i

By¡ / (T) = _ í y¡ (t ) y¡ (t + T) ^ = 10

=

n •Af •т

где By¡ y(i+\f(z) - взаимная корреляционная функция сигналов (ВКФ) y¡ и У(+у, By¡ y¡ (т) - автокорреляционная функция (АКФ) сигнала y¡, Т - время интегрирования корреляционного анализатора.

Функция (5) характеризует общую зависимость значений случайных шумовых сигналов, регистрируемых ¡-м и (¡'+!)-м приемными ПЭП, а функция (6) - зависимость значений шумового сигнала в некоторый данный момент времени от его значений в некоторый момент в прошлом. В тоже время указанные функции должны характеризовать структурную неоднородность геосреды, что физически понятно, поскольку любые формы поврежденности последней должны приводить к декорреляции принимаемых сигналов.

В выражениях (5), (6): первый из сомножителей представляет собой константу, зависящую только от характеристик аппаратурных элементов электроакустического тракта контроля; второй сомножитель отражает частотнозависимое затухание шумового сигнала на контролируемой базе геосреды, которое в решающей степени определяется ее по-врежденностью; третий сомножитель описывает огибающую соответствующей корреляционной функции и при определенных схемах и методиках измерений может характеризовать степень структурной однородности геосреды и ее дефектность; четвертый сомножитель несет информацию о частоте максимума спектральной плотности принятого сигнала, которая определяется крутизной характеристики НМ, а значит и структурными особенностями, которым эта характеристика соответствует.

а

Рис. 2. Графики ВКФ (а) и АКФ (б) для условно структурно однородной (1) и нарушенной (2) геосреды

На рис. 2 представлены характерные теоретические графики функций (5) и (6) для условно ненарушенной однородной среды а также неоднородной геосреды со структурными нарушениями. Анализ этих графиков позволяет обосновать следующие информативные параметры корреляционного УЗ метода контроля. Во-первых, это связанные с затуханием УЗ сигнала значения В^/У0+1)(О) и Ву^(0). Во-вторых, это величина периода то функций Ву^ +1) и Ву1/уЬ т0—1/^0. В третьих, смещение Дт максимума функции В^/^+^т), которое соответствует времени задержки шумового УЗ сигнала на базе Ь = - Ь, и позволяет определить скорость распространения этого сигнала С — Ь/Дт. В четвертых, коэффициенты корреляции р соответствующих функций. Для взаимной корреляционной функции

р

р'/Б,

для автокорреляционной функции Б ., .

ру/ *

БУ1 / у

С увеличением структурной поврежденности геосреды коэффициенты (7) и (8) уменьшаются, их максимальное значение р < 1, а минимальное р — 0.

Наконец, пятым информативным параметром УЗ корреляционного метода является интервал корреляции тик, который с увеличением поврежденности исследуемой геосреды будет уменьшаться. Выражения для определения тик ВКФ и АКФ имеют следующий вид

1

т.„ _

т,„, _

Бу, / у (,+ 1)(0) 1

Б,, / „

| Б,/у0,1)

I Б,/

Графическое определение величины тик иллюстрируется рис. 3.

В

Рис. 3. Графическое нахождение интервала корреляции тик

В соответствие с рис. 3, значение тш находится как сторона прямоугольника, вторая сторона которого равна Д0), а его площадь равна площади под автокорреляционной (взаимной корреляционной) функцией.

Устойчивость горных выработок определяется прежде всего устойчивостью их кровли и в меньшей степени почвы и боковых пород. Поэтому ниже рассмотрим возможные схемы реализации УЗ корреляционного метода на примере контроля кровли, понимая при этом, что для оценки структурных неоднородностей почвы и боковых пород эти схемы также применимы.

Можно выделить следующие структурные особенности кровли, оказывающие существенное влияние на ее устойчивость: положение границы между основной и непосредственной кровлей и наличие расслоений на этой границе; степень однородности пород кровли и наличие в ней участков с повышенной трещиноватостью, а также преобладающее направление трещин на этих участках. Все указанные структурные особенности могут быть выявлены с использованием схем УЗ про-звучивания и каротажа, представленных на рис. 4.

Возможность определения границы между основной и непосредственной кровлей и наличия расслоений на этой границе с использованием схем каротажа на рис. 4а, и 46 и прозву-чивания на рис. 4в очевидна. При пересечении П2 указанной границы должны скачкообразно изменяться корреляционные параметры: В(0)|, т0|, Ат|, Атик|, р|. Примерное постоянство

0

т

Рис. 4. Схемы ультразвуковых корреляционных измерений: каротаж с постоянным расстоянием I между приемными ПЭП

этих параметров по мере углубления скважинных зондов (в случае измерений по схемам 4а, 46) или их плавное незначительное изменение (при измерениях по схеме 46) свидетельствует об отсутствии каких-либо горизонтальных акустических границ и относительной однородности пород кровли. Выявление трещин, вертикальных или ориентированных под некоторым углом к поверхности кровли, возможно с использованием схем измерений на рис. 4в и 4г. Последние позволяют также выявлять структурные неоднородности массива за счет сравнения указанных выше корреляционных информативных параметров контроля на симметрично расположенных приемных ПЭП П1 и П2.

Таким образом, представленное теоретическое рассмотрение задачи УЗ диагностики структурной поврежденности по-

род кровли горных выработок свидетельствует о перспективности решения этой задачи на основе использования шумовых зондирующих сигналов и их корреляционной обработки.

- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Ломтадзе В.Д. Инженерная геология месторождений полезных ископаемых. - Л.: Недра, 1986. - 272 с.

2. Ржевский В.В., Ямщиков В.С. Акустические методы исследования и контроля горных пород в массиве. - М.: Наука, 1973. - 224 с.

3. Шкуратник В.Л., Данилов Г.В. Исследование влияния напряжений на скорость упругих волн в окрестностях эллиптической горной выработки // ФТПРПИ. - 2005. №3. С.3—10.

4. Шкуратник В.Л. Аппаратурное обеспечение ультразвуковых методов геоконтроля // Горный журнал. - 1999. №1. - С. 27-30.

5. Мамбетов Ш.А. Геоакустический контроль состояния массива пород вблизи горных выработок. - Фрунзе: Илим, 1978. - 172с.

6. Ямщиков В.С., Носов В.Н. К обоснованию ультразвукового корреляционного метода дефектоскопии крупноструктурных материалов // Дефектоскопия. - 1972. №3. - С.39 - 44.

7. Бендат Дж., Пирсол А. Измерение и анализ случайных процессов. -М.: Мир, 1974. - 403 с.ЕШ

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -

Шкуратник Владимир Лазаревич1 - профессор, доктор технических наук, заведующий кафедрой ФТКП,

Николенко Пётр Владимирович1 - кандидат технических наук, старший преподаватель кафедры ФТКП,

Кормнов Алексей Алексеевич1 - аспирант кафедры ФТКП, ^крйшаП.ги, Горный инс титут НИТУ «МИСиС».

UDC 622.02:539.2

PRINCIPLES OF ULTRASONIC STRUCTURAL DIAGNOSIS OF ROCK MASSIF USING NOISE PROBING SIGNALS

Shkuratnik V.L.1, Professor, Doctor of Technical Sciences, Head of the Department FTKP Nicolenco P.V. 1, PhD, Senior Lecturer, Department FTKP, ftkp@mail.ru, Kormnov A.A. 1, Post — graduate student, Department FTKP, ftkp@mail.ru,

1Mining Institute, National University of Science and Technology "MISIS", Moscow, Russia.

The advantages and disadvantages of impulse ultrasonic (US) tests and US logs tests in evaluation of structural inhomogeneities and stress condition of massif in area of mine workings are considered. It is noted that transition from impulse to continuous ultrasonic noise signals with a mean of zero and a limited spectrum can increase the base of control by increasing energy injected into massif and more efficient piezoelectric transducers excitation. It is shown that the extraction of required information of structural features of the rock massif can be based on analysis of cross- and autocorrelation functions of ultrasonic noise signals passed through investigated area of rock massif. The analytical expressions of these functions, took into account the frequency-selective properties of an electro-tract US measurements, which is regarded as a linear system with the transmission coefficient same as low pass filter, the slope of which depends on the degree of damage of geoenvironment are stated. Energy, amplitude, time and frequency informative parameters of ultrasonic correlation method are substantiated. Possible scheme of its implementation for solving problems of identifying the main border and direct roofing, the presence of bundles on this border, as well as the degree of homogeneity and the disturbance of the roof rocks are presented.

Key words: mining excavation, stability, ultrasonic, control, structure, noise, correlation methods, testing schemes

REFERENCES

1. Lomtadze V.D. Inzhenernaya geologiya mestorozhdeniy poleznyih is-kopaemyih. Leningrad, Nedra, 1986, 272 p.

2. Rzhevskiy V.V., Yamschikov V.S. Akusticheskie metodyi issledovaniya i kontrolya gornyih porod v massive. Moscow, Nauka, 1973, 224 p.

3. Shkuratnik V.L., Danilov G.V. Issledovanie vliyaniya napryazheniy na skorost uprugih voln v okrestnostyah ellipticheskoy gornoy vyirabotki // FTPRPI, 2005, no.3. pp.3-

4. Shkuratnik V.L. Apparaturnoe obespechenie ultrazvukovyih metodov geokontro-lya // Gornyiy zhurnal, 1999, no. 1, pp. 27-30.

5. Mambetov Sh.A. Geoakusticheskiy kontrol sostoyaniya massiva porod vblizi gornyih vyirabotok. Frunze: Ilim, 1978, 172 pp.

6. Yamschikov V.S., Nosov V.N. K obosnovaniyu ultrazvukovogo korrelyatsionnogo metoda defektoskopii krupnostrukturnyih materialov // Defektoskopiya, 1972, no. 3, pp.

7. Bendat Dzh., Pirsol A. Izmerenie i analiz sluchaynyih protsessov. Moscow, Mir, 1974, 403 p.

10.

39 - 44.