Разработка приборов оптоэлекторного типа для контроля деформационно-волновых процессов в массиве горных пород тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.07 ВАК РФ

На правах рукогшси_ м

РГБ ОД

АКИНИН Александр Анатольевич

РАЗРАБОТКА ПРИБОРОВ ОПТОЭЛЕКГОРННОГО ТИПА ДЛЯ КОНТРОЛЯ ДЕФОРМАЦИОННО-ВОЛНОВЫХ ПРОЦЕССОВ В МАССИВЕ ГОРНЫХ ПОРОД

Специальность 01.02.07. - "Механика сыпучих тел, грунтов и горных

пород'"

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Новосибирск 2000

г

Работа выполнена в Институте горного дела - научно-исследовательском учреждении Сибирского отделения Российской Академии Наук.

НАУЧНЫЙ РУКОВОДИТЕЛЬ -доктор физико-математических наук,

член-корреспондент РАН ОПАРИН Виктор Николаевич

ОФИЦИАЛЬНЫЕ ОППОНЕНТЫ -доктор технических наук

КУЛАКОВ Геннадий Иванович

- кандидат технических наук ПОТАШНИКОВ Анатолий Кириллович

ВЕДУЩАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ - Институт геофизики СО РАН

Защита состоится " 30 " июня_2000г. в /Г часов на заседании

диссертационного совета Д 003.17.01 Института горного дела - научно-исследовательском учреждении СО РАН (630091, г. Новосибирск - 91, Красный проспект, 54).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института горного дела - научно-исследовательском учреждении СО РАН. Автореферат разослан " 30 " 2000г.

Ученый секретарь диссертационного совета д. т. н., профессор

<03 О 22., О

.Актуальность

Последние десятилетия века ознаменовались крупными достижениями в области •экспериментальной геомеханики, обнаружившими тесную связь между структурно-иерархическим строением реальным массивом горных пород и существенно нелинейной их реакцией на динамические воздействия от взрывов, горных ударов, техногенных и природных землетрясений.

Важные результаты в этой области получены усилиями специалистов из таких научных организаций нашей страны, как ИФЗ им. О.Ю. Шмидта РАН, ИГД СО РАН, ИДГ РАН, ГоИ КНЦ РАН, ВНИМИ, ИГФ СО РАН и др. К числу фундаментальных следует отнести открытие явления знакопеременной реакции горных пород на динамические воздействия, в рамках которого было предсказано, а затем и доказано возможное существование широкого спектра нелинейных волновых процессов в массиве горных пород, обусловленных трансляционными и вращательными движениями геоблоков различного масштабного уровня, в том числе волн маятникового типа.

Ключевое значение в проблемах освоения месторождений полезных ископаемых на больших глубинах имеет открытие явления зональной дезинтеграции горных пород вокруг подземных выработок (ИГД СО РАН, ВНИМИ, ФТИ им. А.Ф. Иоффе РАН).

Для корректного математического моделирования сложных деформационно-волновых процессов в массивах горных пород, обусловленных нарушением их равновесного напряженно-деформированного состояния образующимися подземными полостями, необходимо иметь количественные (абсолютные) данные о деформациях или смещениях геоблоков в окрестностях подземных выработок, развивающихся во времени и в пространстве. При этом принципиально важно иметь многоканальный приборный измерительный комплекс для регистрации деформационных параметров с целью изучения как-временного фактора развития дезинтеграционных процессов вокруг подземных выработок, так и для анализа динамико-кинематических характеристик волн маятникового гипа

В приборном комплексе должна быть заложена возможность предварительной обработки регистрируемой информации и представления ее в числовом виде, удобном для визуального контроля и последующего анализа с использованием современных компьютеров. Подобный подход даёт возможность оперативно обрабатывать данные, контролировать геомеханические процессы с различными временными масштабами.

Естественно, что ценность любых технических разработок определяется их прикладными возможностями. В этом аспекте большое значение имеет контроль и анализ деформационно-волновых процессов в блочных средах как в лабораторных, так и в натурных условиях. Здесь особое внимание привлекает к себе выдвинутая ранее М.В. Курленей и В Н. Опариным гипотеза о том. что на стадиях предразрушения очаговые зоны горных ударов, землетрясений и других динамических событий уподобляется своеобразной «геомеханической лазерной системе», т.е. акустически активной среде, способной к когерентному излучению сейсмической энергии.

Диссертационная работа выполнялась автором в рамках научною направления ИГД СО РАН «Исследование природных и техногенных явлений в верхней части земной коры» (№ гос. регистрации 01.9.60.002243), соответствующего одному из приоритетных направлений наук о Земле «Геодинамика и напряженное состояние земных недр», по проектам Российского фонда фундаментальных исследований № 93-05-08643 (1993-1995 гг.) «Закономерности формирования упругих волновых пакетов при импульсном возбуждении блочных сред», № 96-05-66052 (1996-1998 гг.) «Геомеханические условия возникновения квазирезона! юов в геоматериалах и блочных средах», № 99-05-64637 (1999-2001 гг.) «Эффект аномально низкого трения в геосредах и акусто-электромагнитная радуга», а также в рамках выполнения исследований по х/д Ж>№ 05-20 (1990-2000 гг.) и 724-20 (199Ы999п.) с Норильским горно-металлургическим комбинатом им. А.П. Завенягина

Цель работы. Создавая и применяя необходимое измерительное оборудование, экспериментальными исследованиями особенностей деформирования сгруктурных элементов в блочных средах и формирования упругих волновых пакетов при их импульсном и гармоническом возбуждении проверить справедливость гипотезы о том. что на критических стадиях очаговые юны разрушения блочных сред способны переходить в акустически активные состояния, уподобляясь своеобразной «геомеханической лазерной системе». Идея работы.

Основываясь на открытиях в области нелинейной геомеханики и современных достижениях в научном приборостроении, разработать скважинные приборы оптоэлектронного типа для контроля деформационно-волновых процессов в массивах горных пород. Основные задачи работы:

- разработка технической документации и создание многоканального оптоэлектронного продольного деформометра скважинного типа для рег истрации деформаций и смещений геоблоков в массивах горных пород;

- создание измерительно-вычислительного комплекса для регистрации акустических и деформационных полей в модельных блочных средах под изменяющимся нагружением;

- разработка пакета программ, обеспечивающего функционирование измерительного комплекса;

- проверка работоспособности комплекса приборов и оборудования в лабораторных и натурных условиях;

- экспериментальная проверка гипотезы Курлени - Опарина методом физического моделирования акусто-деформационных процессов в напряженных средах со структурой.

Методы исследований включают, анализ литературных и патентных источников, физическое моделирование, натурные эксперименты, прикладные

методы компьютерной обработки • результатов эксперимента, научное обобщение.

Научные положения, выносимые на защиту:

- разработан и создан комплекс приборов и оборудования для скважинного контроля деформационно-волновых процессов в блочных геосредах на принципе измерения линейных перемещений с использованием многоэлементных оптоэлектронных микросхем;

- существует устойчивая корреляционная связь между стадиями нагружения структурных сред и амплитудно-частотными характеристиками импульсных и гармонических сигналов, регистрируемых в геоблоках;

- экспериментально методом физического моделирования обоснована справедливость гипотезы о возможности перехода очаговых зон динамического проявления горного давления в акустически активные состояния; при этом имеют место как конвергенция резонансных частот по системе блоков, так и усиление амплитуды гармонических сигналов за счет перехода накопленной упругой энергии структурных элементов в энергию акустических сигналов.

Достоверность научных результатов обеспечивается большим объемом экспериментальных исследований при физическом моделировании, натурными экспериментами, использованием современного прецизионного комплекса регистрации и обработки физической информации на базе персонального компьютера, схождением теоретических и экспериментальных данных. Научная новизна работы:

- дано экспериментальное доказательство гипотезы о возможности достижения блочными геосредами акустически активных состояний на стадиях предразрушения;

- реализован принцип измерения линейных перемещений на базе многоэлементных оптоэлектронных микросхем в приборах горной геофизики для скважинного контроля деформационно-волновых процессов в блочных геосредах.

Личный вклад автора состоит в разработке функциональной схемы многоканального оптоэлектронного измерительно-вычислительного комплекса МОЭД-lri для регистрации деформаций и смешений в блочных струкзурах геосреды; в разработке отдельных узлов (оптоэлектронные датчики линейных перемещений, блок памяти, усилитель напряжения, узлы сопряжения с компьютером и магнитофоном и др.), в подготовке и проведении лабораторных экспериментов; в обработке результатов лабораторных и натурных измерений.

Практическая ценность работы.

Разработанная базовая конструкция приборного комплекса МОЭД-1п и отдельные его измерительные модули для контроля деформационных процессов в массивах горных пород имеют высокий прикладной потенциал для решения широкого круга задач нелинейной геомеханики: в изучении динамико-кинематических характеристик волн маятникового типа от землетрясений, горных ударов и взрывов; в анализе реологических процессов вокруг подземных выработок на различных удалениях от обнажений, а также в гражданском строительстве для контроля состояния инженерных сооружений. Установленная корреляционная связь между стадиями нагружения блочных сред и эволюцией акусто-деформационных характеристик составных элементов представляют собой важные диагностические признаки для прогнозирования катастрофических событий (горных ударов, землетрясений и т.п.).

Апробация работы.

Основные научные результаты докладывались на международных конференциях: «Горная геофизика» (г. С.-Петербург, 1998 год^яГеодинамика и напряженное состояние земных недр» ( г. Новосибирск, 199') год), а также в Горно-металлургическом опытно-исследовательском центре Норильского ГМК им. А Н. Завенягина (г 11орильск. 1998 г.) и ежегодных семинарах лаборатории горной геофизики ИГД СО РАН.

Публикации.

Основные положения диссертации опубликованы в 7 печатных работах. Выполненные технические разработки защищены комплексным патентом РФ №2047558.

Объем и структура диссертации.

Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав и заключения, представлена на 129 страницах машинописного текста, включает 40 рисунков, 6 таблиц, список литературы из 62 наименований и 5 приложений.

Автор выражает глубокую признательность за внимание и поддержку проводимых исследований и разработок научному руководителю члену-корреспонденту РАН В.Н. Опарину.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе на основе анализа опубликованных работ отечественных и зарубежных ученых дана характеристика состояния вопроса по изучению нелинейных свойств геоматериалов и массивов горных пород, обусловленных их блочно-иерархическим строением. Изучением теоретических вопросов распространения волн в геосредах занимались Г.И. Петрашень, А С. Алексеев, Н.Н. Пузырев, C.B. Гольдин и их ученики, другие видные ученые.

Теоретическому исследованию распространения колебаний в различных моделях регулярного строения и в структурных геосредах посвящены работы Л.И. Сленяна, В Н. Николаевского, М.В. Степаненко и др.

Изучению прочности и деформируемости горных пород при различных видах напряженного состояния и изменении скорости нагружения в предельном и запредельном состоянии, а также прогнозированию процессов деформирования горных пород вокруг горных выработок и оценки их устойчивости, выбора оптимальной податливости и несушсй способности посвящены работы А Н. Ставрогина, А.Г Протосени и других ученых

Натурному исследованию распространения упругих волн в слоистых и трещиноватых средах уделяли большое внимание ВВ. Ржевский. B.C. Ямщиков. B.JI Шкуратник, ВТ. Глушко и др. Под их руководством были разработаны соответст вующие устройства и приборные комплексы.

Кинематические характеристики взаимодействия блоков в блочных структурах при динамических воздействиях занимались Г.Г". Кочерян, А.Е. Федоров, В.В. Адушкин, A.A. Спивак, В.И. Востриков, В В. Ружич и др.

Крупные достижения в области оптоэлектронных методов измерения деформаций и смешений поверхностей твердых тел в системах промышленного контроля (особое место здесь занимают бесконтактные методы контроля на базе информационных, оптических и лазерных технологий), систем сбора и обработки геофизической информации, создании измерительно-вычислительных комплексов связаны с работами Ю.В. Чугуя, А.К. Поташникова и других специалистов КТИ НП СО РАН.

Разработки на высоком научном уровне по созданию компьютерных каротажных станций на современной элементной базе, в том числе и с применением оптико-электронных методов, ведутся в ОИ ГГМ СО РАН (В.М Грузнов, М.И. Эпов и др.) и ОИАиЭ СО РАН (Ю.В. Чугуй, А.К. Поташников, С В. Плотников и др.).

В последние годы развитие экспериментальных методов диагностики и контроля напряженно-деформированного состояния блочных массивов горных пород ориентировано на решение более сложных геомеханических задач. Это требует создания новых приборов и синтеза на их основе систем контроля за деформациями и горным давлением в блочных геосредах. По результатам научного анализа показана необходимость разработки многоканальных измерительных устройстве»: нользованием датчиков линейных перемещений на базе многоэлементных он к »электронных микросхем.

Вторая глава посвящена разработке скважинного многоканального оптоэлектронного деформометра продольного тина МОЗД- In Учитывая необходимость измерять деформации и смещения как в монолитных

1С

конструкциях, гак и в геосредах с естественной и наведенной структурой (зоны дезинтеграции, тектонические разломы, разрушаемые горным давлением и взрывами породные целики и закладочные массивы и т.д.), исходя из выполненного анализа известных схем и устройств измерения деформаций и смещений в сложнопостроенных породных массивах через скважину разработан многоканальный оптоэлектронный деформометр продольного типа МОЭД-1 п (рис. 1).

Принцип действия прибора заключается в следующем. На стенках измерительной скважины I выбирается реперная точка 0 и контрольные точки С1, С2, ... С8. Вдоль оси скважины устанавливается измерительный зонд прибора, базой которого служит штанга 2 жестко фиксированная к реперной точке 0 при помощи репера 3. Измерительные модули 4 могут свободно перелетаться вдоль базовой штанги 2, но жестко фиксируются к стенкам скважины в контрольных точках. (Фиксация репера и измерительных модулей к стенкам скважины осуществляется механическими распорами с гидравлическим управлением при помощи насоса 5). Таким образом, смешение контролируемых точек относительно реперной точки (вдоль оси скважины) вызывает смещение измерительных модулей относительно базовой штанги. Величина этого смещения измеряется оптоэлектронным датчиком линейных перемещений (ДЛП), расположенном в каждом измерительном модуле. Регистратор 6 производит периодическое считывание данных о положении контрольных точек С1. С2, ... С8 относительно репера О со всех измерительных модулей и записывает эти данные в память. Предусмотрено ткже чмможепие данных па масштабный коэффициент равный 25-ти (г. к. микросхема ФУК1-Л1

Рис. 1. Обшнй вид прибора МОЭД-1п установленного в скважину

имеет пространственное разрешение 25 мкм). "Это позволяет считывать с индикатора величину смешения непосредственно в микронах.

Принцип модульности, положенный в основу конструкции МОЭД-1п, позволяет использовать каждый его модуль в отдельности как самостоятельный прибор способный работать совместно с магнитофоном и персональным компьютером Это значительно расширяет сферу использования деформометра (от геомеханических задач до контроля за состоянием инженерных сооружений, в том числе и без использования скважин).

Ниже представлены основные технические характеристики многоканального оптоэлектронного деформометра модификации МОЭД-1п. Диметр измерительной скважины, мм 76, 105 и 165

Интервал установки измерительных модулей относительно репера, мм

минимальный 500

максимальный 15000

Диапазон измерения смешений по каждому каналу, мм 0,025 +100

Количество контрольных точек, шт. 1+8

Разрешающая способность, мкм 25

Скорость линейного перемещения (без потери информации), мм/с 0 + 6

Период опроса измерительных каналов, с I +4096

Емкость накопителя данных, байт 4096

Время хранения данных при отключенном питании, мес 12

Индикация цифровая

Напряжение питания, В 12

Максимальная мощность потребления, В • А 7

Температурный диапазон эксплуатации, °С -60+60

Габаритные размеры измерительного модуля, мм 5(МЬ65*'65

Масса измерительного модуля, кг 2,5

Основой ДЛИ является фоточувствительный прибор с зарядовой связью (ФПЗС) серийная оптоэлектронная микросхема ФУК1-Л1, которая содержит линейный ряд из 1024 фоточувствительных элементов, расположенных с шагом

следования cl = 25 мкм. Нысокое пространственное разрешение и точность шага расположения отдельных ячеек обеспечивается технологией изготовления микросхем и гарантируются Техническими Условиями завода-изготовителя. Это позволяет создавать простые в изготовлении и надежные в эксплуатации датчики линейных перемещений, выгодно отличающиеся от емкостных, индуктивных, ультразвуковых, реостатных и других. Кроме того, оптический канал измерения свободен от влияния электромагнитных помех.

На рис. 2 представлена оптическая схема и диаграммы, поясняющие работу датчика линейных перемещений, выполненного на основе ФПЗС.

В полой базовой штанге 1(рис. 2а), напротив отверстий 2, расположенных с шагом Н вдоль оси штанги, жестко закреплены излучательные диоды 3. Отверстия 2 формируют остронаправленный луч 4. Он падает на фоточувствительную поверхность оптоэлектронной микросхемы 5, которая фиксирована к корпусу измерительного модуля 6. Смещение корпуса 6 вдоль базовой штанги I вызывает смещение микросхемы 5 относительно лучей 3. При электронном сканировании данной микросхемы на её выходе появляется видеосигнал Uv (рис 2в). Он представлен относительно линейных размеров фоточувствительной области на рис. 26 и относительно импульса U«, запускающего сканирование ФПЗС на рис. 2г. По сути Uv является электрическим отображением освещенности ячеек ФПЗС. Видеосигнал Uv подвергается компарированию на уровне Uk- Выходной импульс Uc компаратора представлен на рис. 2д. По его спаду в регистр хранения датчика записывается двоичное число п (рис. 2ж), которое пропорционально расстоянию /„ (рис. 2б\т. к. синхронно с работой двоичного счетчика в ФПЗС происходит периодическое сканирование фотоэлементов от нулевого до 1023-го. двоичное число на выходе счетчика в любой момент времени равно номеру опрашиваемого элемента. От этого же импульса формируется сигнал запрета Ur записи данных до конца периода сканирования ФПЗС (рис. 2с) В результате двоичный код на выходе ДЖ 1 однозначно определяет положение корпуса измерительного модуля относительно базовой штанги.

С23

«V

в) ТТК1_

"4

— ¡¡V* .-

'Г

30 /.мм

1 ' I ■

I ■

I I

Я

ш

-М

I I I I

ТТ^Тб'

I I I

Ш

1бГ

161

Рис 2 Оптическая схема и диаграммы, поясняющие работу оптоэлектронного датчика линейных перемещений Для расширения диапазона измерений ДЛП в базовой штанге 1 (рис. 2а), напротив отверстий 2, расположенных с шагом Н, вдоль оси штанги установлено пять излучательных диодов. С одним излучателем диапазон измерений ДЛП равен длине фоточувствительной области (для ФУКI-Л I примерно 25 мм). Этим достигнут диапазон измерения смещений по каждому каналу прибора МОЭД-1п до 100 мм. Данный метод позволяет с высокой точностью измерять линейные перемещения на длине, значительно превосходящей длину фоточувствительной области ФПЗС. При этом точность измерения определяется лишь точностью шага (1 расположения элементов ФПЗС и не зависит от точности таг а Н отверстий ппанги(т. к. с!«Н (с) - 25 мкм.

14

. М'

Н 20 мм). Таким образом, единственным требованием к шагу между отверстиями будет II < А, где А длииа фоточувствительпой области ФПЗС.

Ниже приведена функциональная схема многоканального опто-элекгронного деформометра МОЭД-1п, состоящая в основном из регистратора, приемника и передатчика излучения. Причем, передатчики излучения фиксированы к базовой штанге, а приемники - к корпусу измерительного модуля. Связь между измерительными модулями и регистратором осуществляется по кабелю, проходящему внутри базовой штанги.

ЕНЗ

)р

10

12

14

г~г

11 18 J

19

Г

15 16

20 — 17

X и Р

А0А1Л2_Е

Р АО А1 А2 Е Р и * ______________________•■>

21

23 24 -» 25 26

27

со 29 30

6

Рис 3 Функциональная схема прибора МОЭД-1п Здесь: 1 - передатчик излучения, 2 - приемник излучения. 3 - блок-регистрации, 4 - кабель связи, 5 -- рачьем, 6 - блок питания, 7 источник излучения, 8 источник тока, Ч остронаправленный луч, 10 оптоэлектронная микросхема. 11 формирователь управляющих импульсов. 12 - коммутатор, 13 компаратор, 14 формирователь импульсов записи. 15

1а

регистр хранения. 16 шифратор, 17 усилитель, 18 - двоичный счетчик. |9-дешифратор адреса, 20 - формирователь сигнала запроса, 21 - генератор тактовых импульсов. 22 ■ формирователь режимов работы, 23 - формирователь адресов, 24 - дешифратор, 25 ОЗУ, 26 - мультиплексор, 27 - регистр, 28 -блок индикапии. 29 - шифратор. 30 - магнитофон.

Третья глава посвящена результатам использования выполненных технических разработок на примере решения задач по физическому моделированию эволюции акусто-деформационных характеристик блочных сред под нагружением при импульсных и гармонических внешних силовых воздействиях. Здесь изучаются следующие основные вопросы: (а) в достаточной ли степени является обоснованным широко используемый прием перенесения результатов испытаний отдельных образцов на породный массив (по физико-механическим и геофизическим характеристикам); (б) в чем заключается общность, а в чем - различие параметров акустических гармонических сигналов (индуцируемых в блочных средах в процессе нагружения) по отдельным блокам и их совокупности; (в) имеются ли основания для гипотезы о том, что на стадиях предразрушения очаговые зоны горных ударов, землетрясений и других динамических форм проявления горного давления уподобляются своеобразной «геомеханической лазерной системе», т. е. акустически активной среде, способной к когерентному излучению сейсмической энергии.

В экспериментах использовался специализированный двухкоординатный стенд для двухосного сжатия моделей блочных структур.

Регистрация смещений и определение спектров свободных колебаний контролируемых блоков осуществлялись при импульсных внешних силовых воздействиях и вертикальном сжатии модели. Сила сжатия ступенчато увеличивалась от 0 до 20 т.

На стенде были установлены измерительные модули продольною леформоме 1ра МО')Д-1 п и контрольный акустический канал измерения, в состав которого входя 1 мая тик, боек, датчик колебаний с усилителем,

осцюнофаф типа С9-10 и магнитофон (рис. 4). Здесь: I - модель блочной структуры; 2 - нижняя траверса пресса; 3 - сквозное отверстие (скважина) с установленными внутри репером и измерительным модулем; 4 измерительный модуль со штангой, установленный на боковой грани структуры при помощи скоб и дюбелей; 5 - маятник; 6 - боек; 7 датчик приема акустических сигналов; 8 - регистратор; 9 - усилитель; 10 - осциллограф; 11 -магнитофон. Стрелки указывают направление сжатия.

Р

! I I з I I

Рис. 4

Такой канал позволяет регистрировать акустические колебания в моделируемой структуре, возбуждаемые при нанесении удара маятником по бойку, закрепленному на блоке. В качестве датчика использовался акселерометр типа КО 35/02, прикрепляемый воском к контролируемому блоку. Полоса пропускания усилителя была выбрана в пределах до 10 кГц для исключения влияния резонансного пика, расположенного в диапазоне 15 г 20 кГц на частотной характеристике датчика. Коэффициент усиления сигналов выбирался

эмпирически по критерию: уровень полезного сигнала должен превышать уровень шумов измерительного канала, но быть ниже критического уровня, определяемого насыщением магнитной ленты.

На рис. 5 представлены (рафики деформации и смещения блоков структуры, регистрируемые измерительными модулями деформометра, соответственно на поверхности модели (точки) и в скважине (звездочки) с увеличением силовой характеристики I' для заданных ступеней нагружения I, 2,..., 20 (сплошные линии, параллельные оси ординяг).

tit я . _J___т__twt y t

Рис. 5

Предварительный анализ записей волновых пакетов от внешних импульсных воздействий показал, что частотные компоненты сигналов имеют типичную каноническую структуру ./.-(•/2) • /„. i - о. ±1, +2. Ото позволило использовать в качестве информативных акустических параметров отношения .),„ A,I (А„ - максимальная амплитуда для выделяемого набора канонических частот волнового пакета. А,„ амплитуда дня 111-й канонической составляющей спектра), а также коэффициент и. характеризующий угол, заключенный между

осью времен и огибающей волнового макета в линейном приближении (рис. 6). В случае маятниковых волн параметр а характеризует коэффициент трения между их носителями -- блоками определенного линейного размера.

На рис. 6 представлены примеры осциллограмм сигналов-откликов в различных временных масштабах. Под осциллограммами приведены канонические спектры соответствующих колебаний, отображающие наличие и всс основных составляющих сигнала-отклика

"1

-1Ы-

5 ¿(Гц

Ш

У

7

4-

Рис. 6

Поведение канонического семейства нормированных амплитудно-частотных характеристик для волновых пакетов контролируемого блока в зависимости от нагрузки на модель показано на рис. 7. Общий анализ этих графиков в сопоставлении с деформационными кривыми на рис. 5 позволяет сделать заключение о наличии достаточно тесной корреляционной связи их структурных особенностей с выделенными стадиями пагружения I, II.....V

то

ч ч ¡е ¡г;» гаде

г»«т

а ' 1'о 1? ' м ' г» яз />,г

J_у г *

Рис. 7

На рис. 8 представлен график изменения параметра « по мере возрастания нагрузки на блочную модель Сравнение общей структуры этого графика с выделенными на рис. 5 деформационными стадиями нагружения 1-У позволяет заключим, (а) границы стадий 1-111 четко совпадают с границами «куполов» параметра м. Причем максимальные значения рассматриваемой характеристики тяготеют к срединным интервалам стадий нагружения 1-1П: (б) для стадии IV коэффициент ч достигает абсолютного минимума, и это обстоятельство хорошо перекликается с известной гипотезой о том. что в основе процессов разрушения твердых тел и геоматериапов лежит квазирезонансный эффект аномально низкого трения в блочных средах; (в) для стадии V характерно возрастание параметра «.

и

а. пня1 гз•»»6 /в9.Ю а ¡г

5Э|

ДН 20 15

1 §Г\

14 ;5 16 IТ !в 19.20

I

.1 -,--т-в >0

_!_

/б 1в га Р. г

_Ш У I

Рис 8

Из анализа особенностей изменения структуры огибающих характеристик {ЛтЛ<:) для волновых пакетов следует (рис. 9 )

(1) существуют два резко выделяющихся интервала нагружения (ступени нагружения 910 и 16^18), для которых имеет место скачок в модальных значениях %„п для распределений А,„Ац с практически подобным смешением огибающих этих распределений. Так. для интервалов нагружения <Н10 °/„Ш1 «перескакивает» от значения 2 кГц к значению 4 кГц с одновременным смещением огибающей канонического спектра в высокочастотную область. Для интервала нагружения 16^-18 "/„„„ «перескакивает» от 4 кГц по ступенькам 2,83, 2 к 1,41 кГц с одновременным смещением огибающих канонических спектров в низкочастотную область. Здесь определенные аналогии просматриваются с так называемой S-образной кривой миграции частоты, максимальной по уровню электромагнитного излучения сигналов, при нагружении образцов горных пород до разрушения (Кулаков Г.И.. Яковицкая Г.Е.):

(2) стадия разрушения сопровождается увеличением веса высокочастотных гармоник в спектре акустического отклика на внешнее импульсное воздействие;

(3) общее число канонических частот, укладывающихся между локальными минимумами %„„ и ограничивающими оценивается диапазоном от семи до девяти.

Принимая во внимание известные результаты, связанные с особенностями формирования упругих волновых пакетов при возникновении

волн маятникового типа (переход; ./, - > /„ ~> /,. по модулю х ()'', такая структура наполнения огибающих каноническими гармониками ассоциирует с неким аналогом «акустической радуги».

Рис. 9

Для проведения экспериментов по гармоническому возбуждению блочных сред использовался сгенд одноосного сжатия при «слабом» боковом огпоре модели (Рис. 10).

Рис. 10

На стенде установлен акустический канал измерений, в состав которого входит источник гармонических колебаний, акселерометры в комплекте с усилителем и регистрирующим прибором. Для контроля деформаций также используются измерительные модули многоканального оптоэлектронного продольного деформометра МОЭД-1п. Общая схема акустического канала с подключением вибратора к генераторному блоку показана на рис. i I. Источником гармонических колебаний с регулируемой частотой до 20 кГц служил -электродинамический вибровозбудитель KSE 201 типа 11075. Управление осуществлялось при помощи задающего генераюра типа ГЗ-18. Колебания от вибровозбудителя передаются на заданный блок модели.

поименованный генераторным (G). Для измерения колебаний использовались

дна iiL'j'.ít;'электрических акселерометра типа KD-vl.

Эле* трсдинаминеский виброзозбудигепь

Исследуемый блок

Задающий Электрическая Регистрирующий Усилитель

генератор сеть прибор

Измерительный Г~1 акустический датч/ж

Рис.11

В дссиерименчах измерялись следующие параметры: Рк - давление по манометру гидравлического домкрата, МПа; к - порядковый номер ступени нагружения; /*' * - частота собственных резонансных колебаний генераторного блока, Гц; Л,"** — частота собственных резонансных колебаний /-го блокау'-го ряда, Гц; где / - номер блока, отсчитываемый сверху вниз для принятой модели, a j - номер вертикальною ряда, отсчитываемый слева направо согласно рис. 10;

Л,'' амплитуда акустических колебаний, регистрируемых в ij-м блоке на частоте мВ; Л" - амплитуда акустических колебаний, регистрируемых в tj-м блоке на часюте /,"мВ; В(' - амплитуда акустических колебаний, регистрируемых я генераторном блоке на частоте у4', мВ; Щ . амплитуда

lia i рафиках, построенных для параметров /*' и ,/v° введено соотнетсшие /*'<—/,"<—>/,.

м,, графиках. построенных для параметров г;, и <.;:, введено сои i fiel с пню С'„i, f<- ->.<Ь.

акустических, колебаний, регистрируемых в генераторном блоке на частоте ./,," мй; ¿"у деформация, измеряемая на участке контроля смещений

между соответствующими блоками у'-го вертикального ряда (рис. 12); /" -начальное расстояние между базовыми точками крепления измерительного модуля прибора МОЭД-'п (рис. 10) ву'-м вертикальном ряду, мм; /, - конечное расстояние между базовыми ючками крепления измерительного модуля в у'-ы раду для фиксированной (&-ой) ступени нафужения модели, мм.

I ) И t_Ш_j ,".' j V

Рис. 12

Вопросы о шммижнон сщдасонанноСш формирования акустических сш налoti u CI рукгурпых злемсн tax блочных сред как по частотному спектру, так п но фазовой составляющей являются ключевыми. В сущсс1вующих подходах к ана.пиу механизмов формирования очаговых зон динамических форм проятепнм юркою давленым, ы/ь нршш.ю, ирчисбрсшаси ¡ем обе н>и bum, чк> мы.шсцгшческие процессы накопления упру юй .»nepi ни в

формирующими o'taioB.Mx иша.\ ж«.,.! иду i на а^сшчссшм фине (ul

¿ь

1Х!ССТУСЧ1НЫХ г.шкросейсм и ло сложных тшоиых явлений, сопровождающих импульсные сейсмические »оздейеншм ш удаленных землетрясений, шрынои н т. п.). Учитыиая открытый в ИГД СО РАН эффект аномально низкою грения с блочных средах, вид напряжешю-деформ.чрошпшога состояния и геоблоках » амплитудно-частотные характеристики «сейсмическою фона» мо1>1 иметь решающее значение для возникновения динамического события.

В реализованном эксперименте очаговая зона моделируется совокупностью однородных блоков с концентратором напряжения в виде цилиндрической полости («плоская» модель), а квазистатическнй процесс пнешнего нагружения одноосным давлением от пресса со слабым боковым отпором. Причем «акустический фон» задается на периферийном блоке (С) модели в монохроматическом режиме. Данная модель имеет прямое ошошенис м к проблеме акуешческию кпшроля предельных состояний пород »окру] под зем11ыл цырнбо 1 ок.

Комплексный анализ реализованною чкеперимешя с исни.тьзинанием введенных амплитудно-частотных параметров гармонических акустических сшпалии и деформационных. харашериешк мидели и увязке с полипным ее нагружением позволил заключить:

(а) сущесшуеч усюйчивам корреляционная снизь между С1адимми щиружения среды с деформационной и амнлигудни-чаеюгными характеристиками акустических сигналов, регистрируемых в блоках модели геосредм;

(и) част 1чы резонансных акусшчеслил колебаний и блоках модели, существенно разнящиеся между собой на начальных зтанах нагружения, проявляют кониер!енцию на стадии нредразрушения (рис. 13);

Рис. 13

(в) на стадии предразрушения модели имеет место не только схождение резонансных частот по системе блоков, ко и усиление амплитуды гармонических сигналов (рис. 14) за счет перехода накопленной упругой энергии структурных элементов в энергию акустических сигналов. При этом нарушается закон степенного затухания гармонических сигналов от источника излучения, а модель из гее,материалов превращается в акустически активную среду, работающую на этвте ршеидснар как автоколебательная система (т. е. своеобразная «геомеханическая лазерная система»).

Ряс. 14

Четвертая глава посвящена экспериментальным испытаниям прибора МОЭД-1п в натурных условиях.

Здесь приводится программа испытаний, излагается порядок организации, подготовки и проведения экспериментов на карьере «Борок» (г. Новосибирск) и руднике «Октябрьский» НГМК (г. Норильск).

На карьере «Борок» для установки прибора был выбран . гранито-диоритовый массив с ярко выраженным блочным строением. Система трещин, расчленяющих массив, по расстоянию кратна ~ 19 см. В выбранном массиве была пробурена горизонтальная скважина диаметром 105 мм и длиной 9,5 м.

Шаг между измерительными модулями выбирался кратным 1,5 м, что обеспечило согласование принятой схемы измерений с блочным строением массива В скважине устанавливались три измерительных модуля доформометра и репер, который закреплялся в устьевом блоке на расстоянии 4,5 м от ближайшего измерительного модуля.

Взрывные работы велись на расстоянии около 50 м от скважины с установленным в ней деформометром МОЭД-Iri. В ходе эксперимента регистрировались смещения в массиве от двух взрывов. По отношению к оси 1-го взрыва скважина имела угол отклонения порядка 35-40°, а к оси 2-го взрыва - 15-20°. Мощность первого взрыва составляла 1,2 т тротила, второго -16,5 т. В результате 1-го взрыва абсолютная деформация между репером и третьим измерительным модулем составила 25 мкм. При проведении взрыва 2 абсолютные деформации были зарегистрированы но всем трем каналам и составили по отношению к реперу величины: канал № 3 - 575 мкм; канал №7350 мкм; канал № 8 - 450 мкм.

На примере натурного эксперимента на карьере «Борок» впервые для данных условий зарегистрированы абсолютные деформации в скальном массиве от взрывов разной мощности. При этом отмечена пропорциональная связь между отношениями мощностей взрывных зарядов и отношениями соответствующих им абсолютных деформаций в массиве.

¿ъ

На руднике «Октябрьский» Норильского ГМК испытания прибора проводились в шахте № 1 на глубине 600 м вблизи тектонического разлома при выполнении взрывных работ в забоях. Для установки прибора МОЭД-1п использовались разгрузочные скважины 0 105 мм, пробуренные в целиках в направлении тектонического разлома. Расстояние от проходческого забоя до места испытаний составляло 50 м. За период испытаний продвижение забоя выработки составило 10 м в направлении места установки прибора. Контроль деформаций осуществлялся в породных целиках, которые пересекает тектонический разлом.

Регистрация деформаций от взрывов производилась прибором МОЭД-1п в автоматическом режиме. Было опробовано несколько вариантов схем установки датчиков в измерительных скважинах. Данные накапливались в оперативном запоминающем устройстве прибора, а затем обрабатывались.

В результате проведенных натурных экспериментов были зарегистрированы смещения в массиве, свидетельствующие о ярко выраженном неоднородном характере его деформирования как в пространстве, так и во времени.

На примере натурных экспериментов в условиях рудников Норильского полиметаллического месторождения проверены технические и технологические возможности приборного комплекса по его оперативной установке и демонтажу в скважинах диаметрами 76, 105 и 165 мм. При этом подтверждены: (а) работоспособность прибора с автономным источником питания в режиме оперативного измерения деформаций пород в приконтурной части подземных выработок при ведении взрывных работ и в периоды между взрывами; (б) обеспеченность в режиме длительных измерений деформаций; (в) соответствие проектных технических характеристик приборного комплекса реальным.

'Заключение

На основании выполненных автором научных исследований и технических разработок осуществлено новое решение актуальной научно-технической задачи разработки и создания скважинного комплекса приборов и оборудования для контроля деформационно-волновых процессов в массивах горных пород, имеющей существенное значение в геомеханическом мониторинге для прогнозирования динамических форм проявления горного давления (техногенные землетрясения, горные удары и т.п.).

Основные научные и практические результаты диссертационной работы заключаются в следующем .

1. Для регистрации абсолютных смещений геоблоков и деформаций массивов горных пород с использованием скважин разработана и создана базовая конструкция многоканального оптоэлектронного деформометра продольного типа (МОЭД-1п). По результатам лабораторных и натурных испытаний приборный комплекс проявил соответствие проектных технических характеристик реальным. Разработка имеет основополагающее значение для проведения экспериментальных исследований в изучении нелинейных геомеханических процессов, обусловленных технологическими взрывами, горными ударами и техногенными землетрясениями. Отдельные измерительные модули приборного комплекса легко адаптируются к схемам регистрации и контроля деформаций в гражданских объектах (мосты, тоннели, инженерные коммуникации, фундаменты и др.).

2. Экспериментально методами физического моделирования доказана справедливость гипотезы о том, что на стадиях предразрушения очаговые зоны динамических форм проявления горного давления могут уподобляться своеобразной «геомеханической лазерной системе», т.е. акустически активной среде, способной к когерентному излучению сейсмической энергии. Комплексный анализ реализованных экспериментов с использованием амплитудно-частотных параметров импульсных и гармонических акустических

сигналов, а также деформационных характеристик модели в увязке с иоэгапным ее нагружением позволил заключить:

(а) существует устойчивая корреляционная связь между стадиями нагружения среды с деформационной и амплитудно-частотными характеристиками акустических сигналов, регистрируемых в блоках модели геосреды;

(б) частоты резонансных акустических колебаний в блоках модели, существенно разнящиеся между собой на начальных этапах нагружения, проявляют конвергенцию на стадии предразрушения;

(в) на стадии предразрушения модели имеет место не только схождение резонансных частот по системе блоков, но и усиление амплитуды гармонических сигналов за счет перехода накопленной упругой энергии гфукчурных элементов в энергию акустических сигналов.

Достигнутый результат имеет фундаментальное значение для развития теории горных ударов и землетрясений и непосредственным образом касается поиска диагностических признаков состояния удароопасности массивов горных пород.

г ;. i ::ü.ie положения диссертации опубликованы в работах:

!. О расклинивающем эффекте зон опорного давления II ФТПРПИ. - 1995,- № 4 (соавторы: М.В. Курленя, В.Н. Опарин, Г.Ф. Бобров, В.И. Востриков, В.Ф. Юи(кин)

.::. Многоканальный оптоэлектронный деформометр продольного типа // ФТПРПИ. - 1997,- № 3 (соавторы: М.В. Курленя, В.Н. Опарин, Г'.Г. Сиденко, В.Ф. Юшкин).

3. Патент РФ № 2097558. Способ контроля напряженно-деформированного состояния в блочных структурах геосреды, базовая опора, деформометр и регистратор / - Опубл. в БИ, 1997, № 33 (Соавторы: В.Н. Опарин, М.В. куплена, Г.Г. Сиденко, В.Ф. Юшкин, А.П. Тапсиев, В.В. Аршавский).

.скале структурно-иерархических представлений как паспортной характеристике объектов геосреды // ФТПРПИ. - 1998.- № 5 (соавторы: В.Н. Опарин, В.Ф. Юшкин, Е.Г. Бапмашнова).

С 'Упутях деформирования блочных сред и их сейсмоакустических ; а i, ,-г;сристиках // В кн.: Горная геофизика. Международная конференция. 2225 июня 1998 г., С.-Петербург, Россия - С-Пб.: ВНИМИ, 1998. - 664с. (соавторы: В.Н. Опарин, В.Ф. Юшкин).

° конвергенции частот акустических сигналов при нагружении моделей блочных сред на стадии предразрушения // В кн.: Геодинамика и напряженное состояние земных недр- Изд.: ИГД СО РАН, Новосибирск, 1999 (труды международной конференции), (соавторы: М.В. Курленя, В.Н. Опарин, В.Ф. Юшкин).

7. О некоторых особенностях эволюции гармонических акустических сигналов при нагружении блочных сред с цилиндрической полостью // ФТПРПИ. - 1999.-№ 6 (соавторы: М.В. Курленя, В.Н. Опарин, В.Ф. Юшкин, Б.Ф. Симонов, Е.Г. Бапмашнова).