Способ определения зон активного трещинообразования в процессе деформирования горных пород и других материалов и многоканальное устройство для его осуществления

СОЮЗ СОВЕТСНИХСОЦИАЛИСТИЧЕСНИХРЕСПУБЛИН 114 а О 1 Ч 1/ОО И ПИСАНИЕ ИЗОБРЕА ВТОРСИОМ,Ф СВИДЕТЕЛЬСТВ нениедерной АтомЖ СЬ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ(56) Акустическая эмиссия и ее прдля неразрушающего контроля вэнергетике/Под ред, К. Б. Вакара, Миздат, 1980, с. 89.Там же, с. 148.(54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЗОН АКТИВНОГО ТРЕЩИНООБРАЗОВАНИЯ В ПРОЦЕССЕ ДЕФОРМИРОВАН ИЯ ГОРНЬ 1 Х ПОРОД И ДРУГИХ МАТЕРИАЛОВ И МНОГОКАНАЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ(57) Изобретение служит для оперативного выделения зон интенсивного трещинообразования, определения их пространственного расположения, непрерывного и длительного контроля и регистрации в реальном времени изменения количества сигналов акустической эмиссии (АЭ), генерируемых выделенными зонами в процессе структурной перестройки при деформировании горных пород и других материалов. Способ и устройство используют принцип поканальной локально-определенной регистрации сигналов АЭ и могут быть применены при изучении явлений типа макроразрыва, горного ЯО 1396105 удара, землетрясения и т.п., наблюдающихся в условиях длительного воздействия больших механических нагрузок на объекты из различных хрупких материалов, а также при проведении неразрушающего контроля состояния объектов, находящихся под воздействием механических нагрузок. Цель - повышение эффективности. Исследуемый объект разделяют на зоны. Каждую зону контролируют одним каналом регистрации. Канал, который первым принимает генерируемый в зоне сигнал АЭ, блокирует остальные каналы. При совпадении во времени сигнала хотя бы в одном из каналов АЭ и электромагнитного сигнала устанавливают факт электромагнитного воздействия на каналы приема сигналов АЭ. Блокируют регистрацию сигналов АЭ на время электромагнитного воздействия. Подсчитывают количество сигналов в каждом канале за временной интервал, сравнивают результаты по каналам между собой и определяют зону с аномальной активностью трещинообразования. Многоканальное устройство для реализации способа кроме М приемников АЭ и регистрирующего устройства дополнительно содержит блок определения номера канала, который первым принял сигнал АЭ, блок первичной обработки информации, селектор сигналов АЭ, И поканальных счетчиков сигналов АЭ и дополнительный (И+1) -й приемник электромагнитных сигналов. 1 с. и 2 зп. флы,бил.5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Целью изобретения является повышение эффективности способа путем поканальной локально определенной регистрации сигналов АЭ.На фиг. 1 показана блок-схема устройства для реализации способа; на фиг. 2 - блок-схема Я-канального блока определения номера канала, который первым принял сигнал АЭ (БОНК); на фиг. 3 - блок-схема 1 Х 1-канального блока первичной обработки информации (БПОИ); на фиг. 4 и 5 - схематическое изоб ракен и е экспериментальной реализации способа на модели; на фиг. бучастки изменения активности АЭ,Способ осуществляют следующим образом.Устанавливается объект исследования или контроля, прочностные структурные параметры которого могут изменяться во времени под действием различных факторов, определяющих его напряженное состояние. Таким объектом может служить материальное тело, все части которого акустически связаны между собой, Например, блоки горной породы земной коры в сейсмоактивном районе, обычно имеющие характерные размеры в несколько километров (и 10" м), удароопасные участки горных выработок при производстве работ в горнодобывающей промышленности с размерами в несколько десятков метров (и 10 м), промышленные конструкции от единиц до десятка метров (и 10 - -и 10 м), лабораторные образцы при исследовании материалов в условиях различного напряженного состояния с размерами от долей метра до метра (п 10 - и 10 м) . Большой диапазон размеров объектов от 10до 10 метра определяет широкий энергетический спектр происходящих в материале динамических явлений и генерируемых ими акустических сигналов (АС). Данный способ может быть использован Изобретение служит для оперативного выделения зон интенсивного трещинообразования, определения их пространственного расположения, непрерывного и длительного контроля и регистрации в реальном времени изменения количества сигналов акустической эмиссии (АЭ), генерируемых выделенными зонами и может быть использовано при изучении явлений типа макроразрыва, горного удара, землетрясения и т.п., наблюдающихся в условиях длительного воздействия больших механических нагрузок на объекты из различных хрупких материалов как естественных, например горные породы, так и искусственных, например бетон и другие строительные материалы, а также как составная часть комплекса для проведения неразрушающего контроля состояния объектов, находящихся под воздействием механических нагрузок. 2для исследования и контроля состояния объектов с размерами от п 10 2 до 104 метра в случае реализации устройств с характеристиками, соответствующими параметрам АС,Объект, подлежащий исследованию, делится на участки или зоны контроля (ЗК), в середине которых устанавливаются приемники-преобразователи упругой энергии в электрическую. Если заранее неизвестны какие-либо зоны особого интереса, то объект делится равномерно на участки с одинаковой площадью. В другом случае приемники устанавливаются также и в серединах особых зон. После установки приемников конфигурация и размеры ЗК определяются границами, которыми являются поверхности, составленные точками с равным расстоянием до смежных приемников, Количество ЗК не ограничено и определяется необходимой подробностью наблюдений и характеристиками применяемого устройства для осуществления способа,Упругая волна от динамического явле- ния (АС), например от появившейся трещины в какой-либо части объекта, распространяется по всему объему с соответствующей материалу скоростью и преобразуется одним или несколькими приемниками в электрический сигнал, В общем случае расстояние от места излучения волны до различных приемников различно и время пробега волны пропорционально расстоянию от источника до соответствующего приемника. Данный способ использует это свойство распространения упругой энергии таким образом, что появление АС на каком-либо приемнике одновременно запрещает прием по всем остальным каналам регистрации и прием ведется только каналом, первым принявшим сигнал. Таким образом, АС от источников, находящихся в ЗК того или иного приемника, регистрируются только им, поскольку ЗК состоит из точек, имеющих минимальное расстояние до данного приемника. Данный способ определения зон активного трещинообразования, использующий разницу времен прохождения упругих волн от источника до приемника, позволяет выделить акустические сигналы от сигналов электромагнитной (ЭМ) природы, являющихся в данном случае помехой, Выделение ЭМ сигналов как промышленных, так и природных осуществляется по признаку одновременности их появления на всех приемниках в связи с большой скоростью распространения ЭМ волны. Вблизи приемников-преобразователей упругой энергии располагается приемник электромагнитных волн, имеющий эквивалентные с ними характеристики. В простейшем случае таким приемником может быть еще один дополнительный преобразователь без акустического контакта с объектом, Если время появления сигнала1396105 5 10 на приемниках упругих волн совпадает со временем появления сигнала на приемнике ЭМ волн, то осуществляется запрет на регистрацию этого сигнала. Таким образом, осушествляется регистрация только сигналов АС, источниками которых являются динамические явления в материале исследуемого объекта.Контролируя скорость накопления соответствующим каналом сигналов, поступающих от приемников, расположенных в соответствующих ЗК, можно судить о развитии трещинообразования в той или иной части объекта в реальном времени и выделять зоны с аномальной активностью. Поканальная регистрация информации позволяет за тем построить графики активности по зонам в зависимости от времени, величины давления, деформации или других параметров состояния ЗК и по характеру изменений сделать заключение об устойчивости или критическом состоянии соответствуюшей зоны и всего контролируемого объекта.Способ осуществляют с помощью устройства, которое включает в себя контролируемый объект 1, преобразователи 2 упругой энергии в электрическую, предваритель ные усилители 3, линии 4 связи, канальные 4ных выходах сохраняется уровень О. Вы. ходы БОНК 7 соединены с соответствующими Х вторыми входами БПОИ 8. В исходном состоянии на всех выходах БПОИ 8 присутствует уровень О.При появлении на одном из М вторых входов БПОИ 8 1, на его первый выход проходит сигнал с соответствующего нз Х первых входов БПОИ 8, который поступает на вход селектора 9 сигналов АЭ, а на соответствующем из М вторых выходов БПОИ 8 появляется уровень 1, что является сигналом разрешения записи в соответствующий поканальный счетчик 10 сигналов АЭ. Селектор 9 сигналов АЭ оценивает параметры поступающего сигнала и при выполнении заданных условий вырабатывает на первом выходе стандартный импульс, поступающий на счетные входы поканальных счетчиков 10. В момент появления этого импульса лишь один поканальный счетчик 10 сигналов АЭ имеет на управляющем входе уровень 1, поступающий с БПОИ 8, поэтому только этот счетчик сможет увеличить свое состояние на единицу, Таким образом, увеличивается состояние счетчика того канала, на вход которого первым поступил сигнал АЭ.усилители 5, компараторы 6, блок 7 определения номера канала, который первым принял сигнал АЭ (БОНК), блок 8 первичной обработки информации (БПОИ), селектор 9 сигналов АЭ, поканальные счетчики 10 сигналов АЭ, регистрирующее устройство 11 и дополнительный приемник 12 электромагнитных сигналов.Устройство работает следующим образом.Акустический сигнал, генерируемый в исследуемом объекте 1, возбуждает один или несколько из Х преобразователей 2 упругой энергии в электрическую. Электрические сигналы усиливаются предварительными усилителями 3 и по линиям связи 4 поступают на входы канальных усилителей 5 и далее на входы компараторов 6.При поступлении на входы комнараторов 6 сигналов с амплитудой, превышающей установленный пороговый уровень, на их выходах формируются пачки импульсных сигналов стандартной амплитуды, причем длительность каждого импульса равна времени превышения каждым полупериодом сигнала порогового напряжения, а количество импульсов в пачке равно числу этих превышений. С выходов компараторов 6 сигналы поступают на соответствующие сигнальные входы БОНК 7 и на соответствующие И первых входов БПОИ 8. БОНК 7 в исходном состоянии имеет на всех своих выходах уровень О и работает таким образом, что при поступлении сигнала на один из его М сигнальных входов на соответствующем выходе появляется уровень 1, а на осталь 30 35 40 45 50 55 Спустя установленное время после возникновения счетного импульса на первом выходе селектора 9 сигналов АЭ на втором его выходе возникает импульс, устанавливающий БОНК 7 в исходное состояние. В случае, если поступивший на вход селектора 9 сигналов АЭ сигнал не удовлетворяет заданным условиям, на втором выходе селектора 9 возникает импульс, возвращающий БОНК 7 в исходное состояние.Через определенные промежутки времени, определяемые конкретными задачами контроля и масштабами контролируемого объекта, на третьем выходе БПОИ 8 появляются стандартные сигналы, являющиеся командами регистрации для регистрирующего устройства 11. При этом регистрируется содержимое всех поканальных счетчиков 10 сигналов АЭ, поступившее к моменту регистрации на информационные входы регистрирующего устройства.Выход дополнительного приемника 12 электромагнитных сигналов подключен к входу запрета приема электромагнитной помехи БПОИ 8. Если сигналы с одного или нескольких из Х компараторов 6 совпадают по времени с заданной точностью с сигналом на выходе дополнительного приемника 12 электромагнитных сигналов, то принимается решение о наличии электромагнитной помехи, прекращается подача сигнала на вход селектора 9 сигнала АЭ и селектор 9 сигналов АЭ вырабатывает на втором выходе импульс, возвращающий БОНК 7 в исходное состояние.1396105 55 На фиг. 2 изображена блок-схема х 1-канального блока определения номера канала, который первым принял сигнал (БОНК) . БОНК содержит Ч,1-К триггеров с логикой (х - 1) И по 1 входам, причем БОНК работает следуюшим образом. В исходном состоянии все триггеры установлены в нулевое состояние, при этом на всех 1-входах всех триггеров присутствует О. При поступлении на один из входов БОНК сигнала соответствующий триггер переходит в единичное состояние, при этом на одном из 1-входов каждого из остальных х 1-1 триггеров появляется уровень О. При наличии на 1-и К-входах уровня О эти Х - 1 триггеров не реагируют на появление сигна лов на их С-входах и находятся в, так называемом, состоянии хранения О. Наличие 1 на одном из выходов БОНК указывает номер канала, который первым принял сигнал. Такое состояние сохраняется до появления на управляюгцем входе сигнала, возврагцаюшего БОНК 7 в исходное состояние.На фиг. 3 показана блок-схема х 1-канального блока первичной обработки информации (БПОИ) 8. БПОИ 8 содержит две груп пы двухвходовых логических схем И 13 и 14, х 1-входовую логическую схему ИЛИ 15, двухвходовую логическую схему И 16, инвертор 17, одновибратор 18, двухвходовую логическую схему И 9, одновибратор 20 и таймер 21.БПОИ работает следующим образом.При появлении на одном из вторых входов БПОИ уровня 1 на выход одной из логических схем И из группы 13 проходит сигнал с соответствукщего первого входа З 5 БПОИ, С выхода этой логической схемы И сигнал поступает на соответствуюший вход логической схемы ИЛИ 5, а с ее выхода на первый вход двухвходовой схемы И 16, На втором входе этой логической схемы присутствует уровень 1 с выхода инвертора 17. При этом на первый выход БПОИ проходит сигнал только с одного из первых х входов, причем номер этого входа соответствует номеру того из х вторых входов, на который подан уровень 1. Одновре менно с этим открывается соответствующая из логических схем И группа 14, так как на ее втором входе так;ке присутствует уровень 1 с выхода иннертора 17. На ее выходе появляется уровень 1, который поступает на соответствующий из 11 вторых 50 выходов БГ 1 ОИ. В случае появления сигнала на входезапрета приема электромагнитной помехи(ЭМП) срабатывает одновибратор 18, и на время его выдержки на втором входе двухвходовой логической схемы И 19 присутствует уровень 1. Если во время выдержки одновибратора 18 на первый вход логической схемы И 19 поступает сигнал с выхо 6да яогической схемы ИЛИ 15, то сигналом с выхода логической схемы И 19 запускается одновибратор 20, и на время его выдержки на выходе инвертора поддерживается уровень О. Тем самым закрывается логическая схема И 16 и логические схемы И группы 14. Таким образом, после поступления сигнала на вход запрета приема ЭМП на первом и 11 вторых выходах БПОИ присутствует уровень О. Время выдержки одновибратора 18 определяет интервал времени, в течение которого сигналы на х первых входах БГ 10 И считаются помехами электромагнитной природы, наведенными на входные цепи устройства. Время выдержки одновибратора 20 определяет интервал времени, на который блокируются выходы БПОИ после начала воздействия ЭМП. Времена выдержки одновибраторов 18 и 20 определяются из условий проводимых работ и масштаба контролируемого объекта.Входящий в состав БПОИ таймер 21 вырабатывает управляющие сигналы для регистрирующего устройства, Период следования этих сигналов определяется задачами контроля объекта и его масштабом и может быть установлен оператором или программно.Способ и устройство испытаны в экспериментах в натурных условиях по изучению геофизических и геохимических полей при деформировании и разрушении целиков горных пород в шахтных условиях, а также в эксперименте на 50.000-тонном прессе, где испытаниям подвергался блок бетона в форме прямоугольного параллелепипеда размером 2 Х 1 Х 0,5 м, содержащий два плоских концентратора напряжений, расположенных в плоскости, перпендикулярной большим граням и наклонной под углом 35 к большей оси блока, вдоль которой прилагалось сжимающее усилие (фиг. 4 и 5). Концентраторы напряжения закладывались при изготовлении блока с целью обеспечить внутреннее разрушение сдвигового типа в центре образца, чем и определилась область, наиболее важная с точки зрения инструментального контроля, различными методами, в том числе и данным способом. Испытываемую модель в данном эксперименте можно было считать плоской, учитывая соотношение размеров образца, толщина которого составила С = 0,5 м, и заложенной неоднородности, длина которой по большой грани образца 1.=1,7 м, т.е. соотношение 1,С=3,4. В связи с этим исследуемую центральную область образца разбили на четыре зоны параллельными плоскостями пер пендикулярными плоскости, в которойрасположены концентраторы. В центрах зон на поверхности образца закрепили четыре приемных преобразователя упругой энергии в электрическую, в качестве активного элемента в которых использова;.:ы139617пьезокерамические диски ЦТС. Крайние преобразователи фактически контролировали зоны, ограниченные с одной стороны зонами внутренними, а с другой - внешняя граница определялась чувствительностью приемных каналов. На фиг. 4 и 5 внешняя граница для всех зон показана сопряженными окружностями. Приемный преобразователь канала электрической помехи был установлен вблизи центральной части образца. Все преобразователи подключались к установленным на расстоянии 0,5 м от них предварительным усилителям, которые линиями связи соединялись с устройством для приема, обработки и регистрации сигналов. Изменение скорости генерирова ния сигналов АЭ (активности АЭ) в зонах контролировали по показанию цифрового табло, результаты накопления сигналов за 60-секундные интервалы регистрировались цифропечатаюшим устройством. На фиг. 6 показаны графики изменения активности АЭ во времени при увеличении давления на образец, построенные по распечаткам ЦПУ для четырех каналов, отмеченных римскими цифрами 1,11,111,1 У. Буквами а, в, с, 4 обозначены последовательные интер валы наблюдения, на которых производилось увеличение сжимающего блок усилия. На интервале а активность по 11, 111, 1 У-му каналам была значительно меньшей, чем по каналу 1, Произведенный в конце интервала а визуальный контроль обнаружил следы начавшегося процесса трешинообразования в виде вышедших на поверхность блока тонких трещин. Систем а этих трешин показана на фиг, 4 и 5 стрелками, обозначена она С, На интервале в 35 (фиг. 6) наблюдалось значительное увеличение активности по 1 и 11-му каналам, при этом визуальный контроль подтвердил рост системы С, и постепенное ее продвижение через зону 1 в зоны 11 и 111. На фиг. 4 представлено схематическое изображение вы О шедших на поверхность трешин за время в течение интервалов а, с и д. Кроме развившейся системы трешин С, за это время образовалась новая система С в зоне 1 У и частично в зоне 111, что отрази лось в соответствуюших изменениях активности АЭ по каналам 1 - 1 У в интервалах с и д (фиг. 6). Применение способа и устройства в натурном эксперименте по деформированию и разрушению целиков горных пород позволило также получить в про О цессе эксперимента данные об изменении числа импульсов АЭ в единицу времени (активности АЭ) и провести сравнительный анализ этих изменений по трем зонам целика. Отмечена миграция областей очагов трешинообразования по телу целика.Изобретение обладает следующими преимуществами. Зона активного трешинообразования выделяется в реальном времени 058эксперимента или наблюдения за объектом, т.е. исключены процессы передачи данных в ЭВМ, вычисления координат и т.п., что особенно важно в работах по прогнозу горного удара и землетрясения. Аппаратурная реализация способа оказывается сушественно более простой и дешевой, доступна для повторения в геофизических и геологических партиях действующих горнодобывающих предприятий, работающих в условиях возможного горного удара. Эксплуатация аппаратуры не требует высококвалифицированного персонала и не предъявляет каких-либо специальных требований к климатическим условиям. Использование изобретения может служить базой для создания автоматизированной системы оповещения о возможности горного удара.Формула изобретения1. Способ определения зон активного трешинообразования в. процессе деформирования горных пород и других материалов, включаюший прием генерируемой энергии в виде дискретных сигналов акустической эмиссии (АЭ) и одновременную многоканальную регистрацию этих сигналов, отличающийся тем, что, с целью повышения эффективности способа путем локально опре.деленной пока нальной регистрации сигналов АЭ, исследуемый объект дополнительно разделяют на зоны, в центре каждой из которых ведут прием сигналов АЭ, дополнительно вблизи исследуемого объекта ведут прием электромагнитных сигналов, каждый зону контролируют одним каналом регистрации, который первым принимает генерируемый в зоне сигнал АЭ, блокируя остальные каналы, при совпадении во времени сигнала хотя бы в одном из каналов приема АЭ и электромагнитного сигнала устанавливают факт электромагнитного воздействия на каналы приема сигналов АЭ и блокируют регистрацию сигналов на время электромагнитного воздействия, подсчитывают количество сигналов в каждом канале за заданный временной интервал, сравнивают результаты по каналам между собой и определяют зону с аномальной активностью трешинообразования.2, Многоканальное устройство для опре-деления зон активного трешинообразования в процесседеформирования горных пород и других материалов, содержащее М приемников сигналов АЭ, каждый из которых состоит из последовательно соединенных преобразователя упругой энергии в электрическую, малошумяшего предусилителя, линии связи, усилителя и компаратора, и регистрируюШее устройство, отличающееся тем, что в устройство дополнительно введен блок определения номера канала, который первым принял сигнал АЭ (БОНК),-э б б с ссе блок первичной обработки информации (БПОИ), селектор сигналов АЭ, И поканальных счетчиков сигналов АЭ и дополнительный Я+1 приемник электромагнитных сигналов, эквивалентный приемникам АЭ в смысле отклика на электромагнитное воздействие, выход каждого из М первых приемников соединен с соответствующим из М сигнальных входов БОНК и с соответствующим из Х первых входом БПОИ., каждый из Х выходов БОНК соединен с соответствующим из Я вторых входов БПОИ а выход М + 1 приемника соединен с входом запрета приема электромагнитной помехи БПОИ, кроме того, первый выход БПОИ соединен с входом селектора сигналов АЭ, каждый из Я вторых выходов БПОИ соединен с управляющим входом соответствующего поканального счетчика сигналов АЭ, а третий выход БПОИ соединен с управляющим входом регистрирующего устройства, при этом первый выход селектора сигналов АЭ соединен с счетным входом каждого пока нального счетчика АЭ, второй выход селектора сигналов АЭ соединен с управляющим входом БОНК, а ьчлходы поканальных счетчиков сигналов АЭ соединены с соответствующими информационными входами регистрирующего устройства.3. Устройство по и. 2, отличающееся тем, что Я-канальный блок определения номера канала (БОНК), который первым принял сигнал АЭ, содержит 1 М 3 - К-триггеров с логикой (Х - 1) И по З-входам, причем счетные входы С триггеров являются сигнальными входами БОНК, инверсный выход 10каждого триггера соединен с Л-входом каждого из остальных триперов, К-входы всех триггеров соединены с общим проводом, а 1 х-входы всех триггеров соединены и являются управляющим входом БОНК.4, Устройство по п. 2, отличающееся тем,что 1 Ч-канальный блок первичной обработки информации (БПОИ), содержит 2 И+2 двухвходовых логических схем И, Х-входовую логическую схему ИЛИ, два одновибратора, инвертор и таймер, причем первые входы первых Х схем И являются первыми входами БПОИ, второй вход каждой из этих схем соединен с первым входом соответствующей из вторых М схем И и является 15 соответствующим вторым входом БПОИ,а вторые входы вторых М схем И соединены между собой, при этом выходы вторых Х схем И являются вторыми выходами БПОИ, выходы первых И схем И соединены 20 с соответствующими входами М-входовойсхемы ИЛИ, выход которой соединен с первыми входами (21 Ч+1)-й и (2 М+2)-й схем И, второй вход (21 Ч+1)-й схемы И соединен с выходом первого одновибратора, вход которого служит входом запрета приема электром а гнит ной помехи Б ПОИ, при этом выход (2 Я+1)-й схемы И соединен с входом второго одновибратора, выход которого соединен с входом инвертора, при этом выход инвертора соединен с вторым входом (2 М+2).й схемы И и с вторыми входами вторых Х схем И, выход (2 М+2)-й схемы И является первым выходом БПОИ, а выход таймера является третьим выходом БПОИ.139605 диР та ЯИ фькрЫтий Составите Техред И. Ве Тираж 522 рственного ко иитета ССС 035, Москва, Ж - 35, Рь Н. Гусевашинец Корректор М. МаксимиПодписноеР по делам изобретений и оаушская наб., д. 4/5пятне, г. Ужгород, ул. Проектная,