СПОСОБ КОНТРОЛЯ СЦЕПЛЕНИЯ АНКЕРНОЙ КРЕПИ С МАССИВОМ ГОРНЫХ ПОРОД И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD TO CONTROL ENGAGEMENT OF BOLTING WITH ROCK MASSIF AND DEVICE FOR ITS REALISATION

Изобретение относится к горной промышленности и предназначено для контроля сцепления анкерной крепи с массивом горных пород, необходимого для поддержания ею пород в устойчивом состоянии.
Известен способ мониторинга анкерной крепи, предусматривающий размещение на выступающем конце анкера электромеханического преобразователя, создания на этом конце вибрационной энергии, оценку количества вибрационной энергии, переданной через анкер в окружающий массив пород и поглощенной в последнем [1]. При сильном поглощении энергии делают вывод о хорошем сцеплении анкера с массивом пород, а при слабом - о плохом. Оценку поглощения энергии осуществляют по относительному уменьшению собственных затухающих колебаний анкера за заданный промежуток времени. Большему затуханию колебаний соответствует и большее поглощение энергии, что свидетельствует о хорошем контакте анкера с массивом пород.
Недостатком указанного способа является то, что его показания будут зависеть не только от контакта анкерной крепи с массивом пород, но и от контакта электромеханического преобразователя с анкером, что вносит существенную погрешность в результаты контроля.
Известно устройство измерения натяжения анкерной крепи кровли горных выработок, содержащее откалиброванную резиновую шайбу, размещенную между двумя стальными пластинами, которые в свою очередь соприкасаются с одной стороны с массивом пород, а с другой стороны - с затягивающей анкер гайкой [2]. Степень натяжения оценивается по диаметру резиновой шайбы, при сдавливании шайбы больший ее диаметр соответствует большему натяжению анкера, а минимальный диаметр шайбы - об отсутствии натяжения анкера.
Такое устройство обладает рядом недостатков. Оно не позволяет оценить степень сцепления анкера с окружающим массивом пород в случае омоноличенных анкеров, когда анкер будет натянут в своей части, залитой связующей массой и связанной с массивом пород, а выступающая наружу головка анкерного болта будет разгружена. Кроме того, при старении резины и потере эластичности резиновой шайбы ослабление натяжения анкера не будет выявлено, что может привести к неконтролируемому обрушению кровли.
Наиболее близким по технической сущности к предложенному способу контроля сцепления анкерной крепи с массивом горных пород является способ, включающий ударное возбуждение вибраций в анкерной крепи и через нее в массиве горных пород посредством ударного механизма, 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 целостности сцепления анкерной крепи с массивом горных пород [3]. При этом способ включает в себя нанесение удара по головке анкерного болта для создания в нем акустических вибраций и возбуждения, по крайней мере, одной из выбранных мод вибраций, восприятия вибраций упомянутого анкерного болта и генерации электрического сигнала, отображающего эти вибрации, измерение амплитуд упомянутого сигнала в нескольких заранее определенных частотных полосах и определение резонансной частоты выбранной моды вибраций как показателя целостности закрепления анкерных болтов. При этом анкерный болт изготовлен из металла, а нанесение удара по головке анкера осуществляется ее обстукиванием металлическим объектом. Целостность соединения анкерной крепи, закрепленной цементным раствором или полимерной смолой внутри потолочины в подземной шахте, устанавливается созданием с помощью удара широкополосных вибраций и измерением резонансных частот осевых и поперечных мод колебаний. Пустоты в полимерном креплении или некачественное сцепление с массивом пород кровли вызывают смещение резонансных частот как осевых, так и поперечных вибраций. Чем больше заполненность шпура, в котором находится анкерный болт, чем больше его натяжение, тем выше резонансная частота. Низкие значения резонансных частот говорят о плохом креплении. Этот способ принят нами в качестве прототипа.
Недостатком данного способа является то, что обстукивание с помощью молотка головки болта некалиброванным ударом вызывает различные по спектральному составу импульсы возбуждения, что приводит к искажению спектра вибраций и погрешности определения резонансных частот, которых может быть несколько. Это приводит к существенной ошибке определения целостности соединения массива и анкера, а также натяжению последнего.
Наиболее близким по технической сущности к предложенному устройству является устройство контроля анкерной крепи с массивом горных пород, содержащее ударный механизм и измерительную систему акустического сигнала отклика в анкерной крепи на удар по выступающему ее концу, включающую преобразователь вибраций в электрический сигнал, выход которого подключен к последовательно соединенным усилителю, блоку регистрации сигнала отклика на удар, содержащему временной селектор сигнала отклика на удар и блок спектрального анализа этого сигнала, а также к индикатору показаний [4]. При совпадении частот максимума спектра сигналов собственных вибраций, регистрируемых в кровле массива горных пород от удара, с частотами максимума спектра сигналов собственных вибраций, зарегистрированных в анкерах, считают, что сцепление анкера с массивом хорошее. При значительных отличиях этих спектров друг от друга делают вывод о плохом сцеплении анкера с массивом. Это устройство принято нами в качестве прототипа.
Недостатком рассматриваемого устройства является необходимость размещения преобразователей не только на анкере, но и на поверхности кровли, хороший контакт с которой трудно обеспечить из-за неровностей и трещиноватости ее поверхности, что вносит значительные погрешности в результаты контроля. Кроме того, максимумы амплитуд спектров сигналов, зарегистрированных в кровле, могут быть обусловлены не только ее напряженно-деформированным состоянием, но и наличием границ раздела двух или нескольких слоев с различными акустическими импедансами, т.е. ее строением, а не свойствами крепи. Многократные отражения от таких границ и поверхности выработки приведут к появлению спектральных максимумов на частотах, период которых равен или кратен удвоенному времени пробега волн от одной поверхности до другой. В то же время сигналы, зарегистрированные в анкерных болтах, будут в значительной степени определяться распространением упругих волн в самих металлических анкерах и в меньшей степени зависеть от распространения между слоями пород кровли. Это также будет вносить значительные погрешности в результаты контроля.
Задачей изобретения является повышение точности контроля сцепления анкерной крепи с массивом горных пород за счет исключения погрешности контроля, вызванной неплотным контактом ударного механизма с выступающим концом анкерной крепи путем учета спектра сигнала ударного возбуждения вибраций в анкерной крепи.
Это достигается тем, что в способе контроля сцепления анкерной крепи с массивом горных пород, включающем ударное возбуждение вибраций в анкерной крепи и через нее в массиве горных пород посредством ударного механизма, 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 целостности сцепления анкерной крепи с массивом горных пород, 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 целостности ее сцепления с массивом горных пород.
При этом устройство контроля сцепления анкерной крепи с массивом горных пород, содержащее ударный механизм и измерительную систему акустического сигнала отклика в анкерной крепи на удар по выступающему ее концу, включающую преобразователь вибраций в электрический сигнал, выход которого подключен к последовательно соединенным усилителю, блоку регистрации сигнала отклика на удар, содержащему временной селектор сигнала отклика на удар и блок спектрального анализа этого сигнала, а также к индикатору показаний, снабжено блоком регистрации сигнала возбуждения вибраций в анкерной крепи, состоящим из последовательно соединенных временного селектора сигнала возбуждения вибраций в анкерной крепи, подключенного по входу к выходу усилителя, и блока спектрального анализа сигнала возбуждения вибраций в анкерной крепи, при этом выход этого селектора подключен к входу временного селектора сигнала отклика на удар, а выходы блоков спектрального анализа сигналов отклика на удар и возбуждения вибраций в анкерной крепи подключены к входам блока деления спектров указанных сигналов, выход которого подключен к индикатору показаний, причем преобразователь вибраций в электрический сигнал жестко связан с ударным механизмом, установленным с возможностью перемещения в заданном направлении и фиксации положения при контакте его с выступающим концом анкерной крепи.
Кроме того, в устройстве ударный механизм расположен на основании с направляющими и приводом для перемещения его в заданном направлении и снабжен магнитом, обеспечивающим отрыв ударного механизма от основания при превышении силы притяжения магнита веса ударного механизма и фиксацию его положения на выступающем конце крепи.
1
2
Способ контроля сцепления анкерной крепи с массивом горных пород и устройство для его осуществления иллюстрируются фиг.1, 2, 3, 4, 5, 6, где на фиг.1 представлена схема устройства контроля анкерной крепи; на фиг.2. - схема блоков регистрации сигнала возбуждения вибраций в анкерной крепи и регистрации сигнала отклика на удар по выступающему концу анкерной крепи; на фиг.3 представлены сигнал возбуждения вибраций в анкерной крепи и сигнал отклика на удар; на фиг.4-6 - формы спектров: S(f) - сигнала возбуждения вибраций в анкерной крепи; S(f) - сигнала отклика в анкерной крепи на удар; отношении спектров  соответственно.
Способ контроля сцепления анкерной крепи с массивом горных пород основан на физических закономерностях, наблюдаемых при работе анкерной крепи. Ее способность выполнять свои функции определяется сцеплением с массивом горных пород, что, в свою очередь, - заполненностью промежутка между анкером и массивом пород связующей массой. При этом, чем больше заполнено указанное пространство, тем выше резонансная частота регистрируемого сигнала-отклика на ударное воздействие. Поэтому более высокочастотный спектр отклика связан с лучшей работой анкерной крепи. Анализ спектра сигнала отклика анкерной крепи на ударное воздействие позволяет оценить степень ее сцепления с массивом горных пород и отбраковать дефектные анкера. Однако спектр сигнала отклика на удар определяется не только свойствами указанного выше сцепления, но и плотностью контакта ударного механизма с выступающим концом анкерной крепи при ударе. Данное изобретение позволяет уменьшить влияние неплотного контакта ударного механизма с выступающим концом анкерной крепи при ударе на регистрируемый спектр отклика в анкерной крепи на удар и тем самым в значительной степени снизить погрешность контроля сцепления анкерной крепи с массивом горных пород.
В массиве 1 горных пород пробурен шпур 2, заполненный связующей массой, в котором установлена анкерная крепь 3 с выступающим концом 4. Между ним и массивом 1 горных пород размещена шайба 5, служащая для поддержания горных пород. Устройство контроля сцепления анкерной крепи 3 с массивом 1 горных пород состоит из ударного механизма 6, выполненного, например, в виде ударника и расположенного на основании 7 с направляющими, привода (на фиг.1 не показан), механизма перемещения и фиксации ударного механизма, в качестве которого использован, например, магнит 8, закрепленный на ударном механизме 6, а также измерительной системы. Эта система включает преобразователь 9 вибраций в электрический сигнал, размещенный также на ударном механизме 6 и механически и акустически связанный с ним, который через усилитель 10 параллельно подключен к блоку 11 регистрации сигнала возбуждения вибраций в анкерной крепи и блоку 12 регистрации сигнала отклика на удар по выступающему концу 4 анкерной крепи 3, причем эти блоки связаны между собой цепью запуска, а их выходы через блок 13 деления спектров сигнала отклика в анкерной крепи на удар и сигнала возбуждения вибраций в анкерной крепи подключены к индикатору 14 показаний. При этом каждый из блоков 11, 12 включает временной селектор 15 сигнала возбуждения вибраций в анкерной крепи и временной селектор 16 сигнала отклика на удар в анкерной крепи, к выходам которых подключены, соответственно, блоки 17, 18 спектрального анализа сигналов возбуждения вибраций и отклика на удар в анкерной крепи. Каждый из блоков 15, 16 (см. фиг.2) состоит, например, из последовательно соединенных ключей 19, 20, аналого-цифровых преобразователей 21, 22, блоков памяти 23, 24 соответственно, а также формирователя 25 временного промежутка сигнала возбуждения вибраций в анкерной крепи и формирователя 26 временного промежутка сигнала отклика на удар в анкерной крепи. Выходы последних соединены с входами управления ключей 19, 20 соответственно, причем выход формирователя 25 соединен с входом формирователя 26. При этом вход формирователя 25 через блок запуска 27 связан с выходом усилителя 10, к которому также подключены входы ключей 19, 20, выходы блока 17 спектрального анализа сигнала возбуждения вибраций в анкерной крепи и блока 18 спектрального анализа сигнала отклика на удар являются выходами блоков 11, 12 соответственно. Индикатор 14 показаний отображает отношение спектров сигнала отклика в анкерной крепи на удар и сигнала возбуждения вибраций в анкерной крепи в зависимости от частоты.
Описанное устройство возможно построить по цифровому принципу, и оно может быть реализовано как аппаратным, так и аппаратно-программным путем.
Способ контроля сцепления анкерной крепи с массивом горных пород реализован следующим образом.
Ударный механизм 6 ориентируют на оси анкерной крепи 3 с помощью основания 7 с направляющими и начинают перемещать его с постоянной скоростью посредством привода к выступающему концу 4 крепи, изготовленной, например, из стали. По мере уменьшения расстояния между ними увеличивается сила притяжения между магнитом, установленным на ударном механизме, и анкерной крепью. При превышении силы притяжения величины, равной весу ударного механизма, происходит отрыв ударного механизма от основания 7 и перемещение его с ускорением к выступающему концу 4 анкерной крепи 3. В результате этого на выходе преобразователя 9 вибраций формируются электрические сигналы 28 и 29 (см. фиг.3), сигнал 28 - в случае хорошего контакта между ударным механизмом 6 и выступающим концом 4 анкерной крепи 3 при ударе, а сигнал 29 - в случае ухудшенного контакта между ними. Каждый из этих сигналов имеет несколько временных зон. Применительно к сигналу 28 показаны: зона 30 - движения ударного механизма к выступающему концу 4 анкерной крепи 3 после его отрыва от основания 7; зона 31 - движения ударного механизма 6 от момента первого соприкосновения до полного закрепления на выступающем конце 4 анкерной крепи 3; зона 32 - реакции на удар самой анкерной крепи 3 за счет прохождения непосредственно по ней упругих волн; зона 33 - отклика на удар анкерной крепи 3 вместе с массивом 1 горных пород, вызванного вибрациями массива пород. Зоны сигнала 29, регистрируемого преобразователем 9 вибраций в электрический сигнал в случае ухудшенного контакта, распределены во времени аналогично. Здесь показаны также промежутки 34, 35 времени Δt, в течение которых осуществляется регистрация сигнала возбуждения вибраций в анкерной крепи 3 и сигнала отклика на удар анкерной крепи 3 вместе с массивом 1 горных пород соответственно.
1
Начиная с момента отрыва ударного механизма 6 от основания 7 увеличивается величина сигнала 28, поступающего с преобразователя 9 вибраций в электрический сигнал через усилитель 10 на вход временного селектора 15 сигнала возбуждения вибраций в анкерной крепи, где он через блок 27 запуска поступает на вход формирователя 25 временного промежутка 34 сигнала возбуждения вибраций в анкерной крепи, открывающего ключ 19 для поступления сигнала с выхода усилителя 10 на вход аналого-цифрового преобразователя 21, преобразующего непрерывный сигнал 28 возбуждения вибраций в анкерной крепи во временном промежутке 34 в дискретные отсчеты с последующим их запоминанием в блоке 23 памяти и преобразованием их в блоке 17 спектрального анализа в спектр S(f). В случае хорошего контакта ударного механизма 6 и выступающего конца 4 анкерной крепи 3 длительность удара короткая, а амплитуда большая, при этом спектр 36 сигнала 23 возбуждения вибраций в анкерной крепи имеет значительный подъем в области верхних частот (см. график 36 на фиг.4). В случае ухудшенного контакта - длительность удара больше, при этом амплитуды спектральных составляющих меньше, а их спадание с ростом частоты - больше, чем в первом случае (см. график 37 на фиг.4).
2
По окончании временного промежутка 34 сигналом с формирователя 25 запускается формирователь 26 временного промежутка 35 сигнала отклика на удар в сигнале 28, и в течение этого времени открывается ключ 20, а через него сигнал отклика на удар в анкерной крепи с выхода усилителя 10 поступает на аналого-цифровой преобразователь 22, блок 24 памяти и блок 18 спектрального анализа, преобразующий отсчеты сигнала отклика в его спектр S(f). В случае хорошего контакта ударного механизма 6 и выступающего конца 4 анкерной крепи 3 амплитудный спектр сигнала отклика на удар показан на графике 38, а в случае ухудшенного контакта между ними - на графике 39 (см. фиг.5). Эти спектры могут иметь один или несколько максимумов, обусловленных собственными частотами контролируемого объекта. В случае хорошего контакта спектр 38 будет иметь подъем в области высоких частот по сравнению со спектром 39. Это обусловлено повышенным содержанием амплитуд высокочастотных составляющих в спектре 36 сигнала 28 возбуждения вибраций в анкерной крепи во временном промежутке 34. При этом максимум спектра 38 находится в высокочастотной области, где он отмечен сплошной стрелкой. В случае ухудшенного контакта спектр 39 будет спадать сильнее с увеличением частоты, и его максимум окажется в низкочастотной области, где он отмечен пунктирной стрелкой. В этом случае возможна ошибка определения целостности контакта анкерной крепи с массивом горных пород, поскольку особенности спектров 38, 39 будут определяться не свойствами контролируемого объекта, а условиями контакта ударного механизма 6 и выступающего конца 4 анкерной крепи 3 при ударе.
1
2
Полученные спектры S(f) сигнала возбуждения вибраций в анкерной крепи и S(f) сигнала отклика на удар поступают с выходов блоков 17, 18 спектрального анализа этих сигналов на входы блока 13 деления, который вычисляет отношение спектров . Графики 40, 41 полученных отношений  (см. фиг.6) для случаев хорошего и ухудшенного контактов ударного механизма 6 и выступающего конца 4 анкерной крепи 3 совпадают друг с другом, при этом совпадают друг с другом также и спектральные максимумы, отмеченные на графиках 40, 41 сплошной и пунктирной стрелками. Такое совпадение спектральных максимумов свидетельствует об исключении погрешности контроля сцепления анкерной крепи с массивом горных пород, вызванной неплотным контактом ударного механизма с выступающим концом 4 анкерной крепи.
При испытании описанного способа в качестве преобразователя вибрации использовался акселерометр с полосой регистрируемых частот от 20 Гц до 2 кГц. При испытании на моделях заполненного и незаполненного связующей массой анкерного крепления длиной 2,5 м и получении выборки по 200 тестовым ударам ошибка определения сцепления анкерной крепи с массивом горных пород за счет применения указанных способа и устройства не превышала 2%.
Источники информации
2
1. Apparatus and method of monitoring anchored bolts. Пат. США 4198865 МКИ G01N 19/01, 24.07.1978.
2. Washers for use in measuring the tension in mine-roof supporting bolts. Пат. Великобритании 748969, кл. 89(1), А(4:7); 106(2), Е4, 16.05.1956.
2
3. Method of testing the integrity of installed rock bolts. Пат. США 4062229 МКИ G01N 29/00, 13.12.1977 (прототип).
5
4. Electronic mine roof bolt tester. Пат. США 4281547, МКИ G01N 29/04, 04.08.1981 (прототип).