RU2319010C1

RU2319010C1 - Method to outline increased stress zone in rock massif and device for electromagnetic rock radiation signal measurement in well

Info

Publication number: RU2319010C1
Application number: RU2006130715/03A
Authority: RU
Inventors: Геннадий Иванович Кулаков; Николай Александрович Бритков
Original assignee: Институт горного дела Сибирского отделения Российской академии наук
Priority date: 2006-08-25
Filing date: 2006-08-25
Publication date: 2008-03-10

Abstract

FIELD: mining geophysics, particularly devices for testing in situ the hardness or other properties of minerals, for example, for giving information as to the selection of suitable mining tools.

SUBSTANCE: method involves drilling measuring well; arranging recording device included in electromagnetic radiation signal measurement system along with converter in front of the well; forming digital signal with the use of analog-digital converter and liquid-crystal display of recording device; measuring electromagnetic radiation intensity N_i in several intervals with the use of said device; comparing N_i value with critical value N_k typical for particular mining and geological conditions to determine maximal electromagnetic radiation intensity value. Converter is made as independent unit. The converter is placed in well with the use of dielectric rod so that the first rod end is connected to converter, another rod end is secured to recording device. Recording device is linked to converter through screened cable. Electromagnetic radiation intensity N_i is measured in several intervals by converter moving from one interval to another one with the use of dielectric rod. Electromagnetic radiation intensity values N_2...n are compared with each other beginning from the second interval so that current N_i value is compared with maximal value of previously detected ones to determined maximal value N_max taken as critical value N^' _kfor a given massif. Zone boundaries are calculated from N_min=0.8N^' _k. Device comprises converter and electromagnetic radiation signal recording device conductively connected with each other. The electromagnetic radiation signal recording device comprises power source with earthed central point, operational amplifier and serially connected detector, analog-digital converted and liquid-crystal display. Converter comprises receiving magnetic differential antenna made as two coils wound onto ferrite core. Coil outputs are linked to data inputs of measuring amplifier. Converter has power source with earthed neutral bus linked to total coil connection point and central amplifier point. Converter members are placed in dielectric case and connected to one end of dielectric rod. Recording device is connected to opposite end thereof. Amplifier and recording device are connected with each other through screened cable. Electromagnetic radiation signal pass band expander is installed between operational amplifier and recording device detector.

EFFECT: increased reliability and decreased labor inputs due to electromagnetic radiation pulse pick-up directly in measuring well drilled on rock massif from underground mine working.

4 cl, 2 dwg

Description

Техническое решение относится к горному делу, а именно к горной геофизике и может использоваться для выделения зон повышенных напряжений в массиве горных пород на основе измерений фонового электромагнитного излучения (ЭМИ), генерируемого горными породами в скважинах, предварительно пробуренных в подземных горных выработках. Может использоваться для исследования фонового ЭМИ, генерируемого массивом горных пород, в малодоступных участках контура подземных горных выработок, а также при исследовании волновых процессов в массивах горных пород скважинными методами на основе регистрации ЭМИ.The technical solution relates to mining, namely, mining geophysics and can be used to highlight areas of increased stress in a rock mass based on measurements of background electromagnetic radiation (EMP) generated by rocks in wells previously drilled in underground mine workings. It can be used to study the background EMP generated by a rock mass in inaccessible sections of the underground mine workings contour, as well as to study wave processes in rock masses by borehole methods based on the registration of electromagnetic wave.

Известен способ контроля состояния массива горных пород по авт.св. СССР №1800026, Е21С 39/00, опубл. в БИ №39, 1993 г. Он включает регистрацию импульсов ЭМИ, периодическое измерение амплитуды максимальной спектральной составляющей импульсов и ее частоты, определение изменений амплитуды и частоты во времени, по которым судят о состоянии массива. При этом регистрируют момент одновременного увеличения амплитуды максимальной спектральной составляющей и ее частоты, а затем момент их одновременного уменьшения, по первому моменту определяют начало разрушения массива, а по второму определяют начало разделения сплошности.A known method of monitoring the state of the rock massif on auth. USSR No. 1800026, Е21С 39/00, publ. in BI No. 39, 1993. It includes registration of EMR pulses, periodic measurement of the amplitude of the maximum spectral component of the pulses and its frequency, determination of changes in amplitude and frequency in time, which are used to judge the state of the array. In this case, the moment of simultaneous increase in the amplitude of the maximum spectral component and its frequency is recorded, and then the moment of their simultaneous decrease, the beginning of the destruction of the array is determined by the first moment, and the beginning of the separation of continuity is determined by the second moment.

Недостатком этого способа является необходимость регистрации момента одновременного увеличения амплитуды максимальной спектральной составляющей и ее частоты, а затем момент их одновременного уменьшения, что требует использования сложной дорогостоящей аппаратуры. Этот способ может использоваться в подземных горных выработках, но непригоден при измерениях в скважинах.The disadvantage of this method is the need to register the moment of simultaneous increase in the amplitude of the maximum spectral component and its frequency, and then the moment of their simultaneous decrease, which requires the use of complex expensive equipment. This method can be used in underground mining, but is unsuitable for measurements in wells.

Известен способ определения неоднородностей массива горных пород по патенту СССР №1794253, G01V 3/18, опубл. в БИ №5, 1993 г.A known method for determining the heterogeneity of a rock mass according to the USSR patent No. 1794253, G01V 3/18, publ. in BI No. 5, 1993

По этому способу осуществляют бурение шпура на контролируемом участке массива, производят досылку датчика с заданной начальной измерительной базой в шпур, перемещают датчик в шпуре и одновременно осуществляют измерение физического параметра на заданных интервалах, после чего судят по результатам измерений о неоднородности массива горных пород. При этом осуществляют повторные измерения физического параметра в шпуре датчиком с измерительной базой, величину которой принимают не меньшей величины среднего расстояния между неоднородностями, найденного по результатам измерений с начальной измерительной базой, а величину начальной измерительной базы принимают равной размеру квазиоднородного участка массива, о неоднородности массива горных пород судят по величине коэффициента неоднородности К_н, который определяют по формулеUsing this method, a borehole is drilled in a controlled section of the array, the sensor is sent to the borehole with a given initial measuring base, the sensor is drilled in the borehole and the physical parameter is measured at predetermined intervals, after which the heterogeneous rock mass is judged by the measurement results. In this case, repeated measurements of the physical parameter in the borehole are carried out by a sensor with a measuring base, the value of which is not less than the average distance between the inhomogeneities, found from the results of measurements with the initial measuring base, and the value of the initial measuring base is taken equal to the size of the quasihomogeneous section of the massif, about the heterogeneity of the mountain massif rocks are judged by the value of the coefficient of heterogeneity K _n , which is determined by the formula

К_н=А₁/А₂,K _n = A ₁ / A ₂ ,

где A₁, А₂ - значения физического параметра на заданном участке и в заданном интервале при соответственно начальных и повторных измерениях.where A ₁ , A ₂ are the values of the physical parameter in a given section and in a given interval for initial and repeated measurements, respectively.

Недостатком этого способа является необходимость использования двух приборов, поочередно размещаемых в скважине, и соответственно двух измерений, что существенно удорожает проведение измерений и увеличивает их трудоемкость. Кроме того, этот способ ориентирован на исследование неоднородностей типа трещин, что исключает возможность использования его при оценке напряжений в массиве горных пород.The disadvantage of this method is the need to use two devices, alternately placed in the well, and accordingly two measurements, which significantly increases the cost of the measurements and increases their complexity. In addition, this method is focused on the study of heterogeneities such as cracks, which excludes the possibility of using it to assess stresses in a rock mass.

Известен способ прогноза разрушения горных пород по патенту РФ №2137920, Е21С 39/00, G01N 29/04, опубл. в БИ №26, 1999 г.A known method for predicting the destruction of rocks according to the patent of the Russian Federation No. 21397920, E21C 39/00, G01N 29/04, publ. in BI No. 26, 1999

Способ включает регистрацию на интервале времени измерения сигналов ЭМИ и измерение их амплитуд, по которым определяют начало разрушения исследуемого участка массива. При этом интервал времени измерения разделяют на две неравные части, производя на каждой из них измерение величин амплитуд сигналов через равные промежутки времени. До нагружения исследуемого участка массива определяют интенсивность излучения сигнала помехи, измеряя амплитуды сигналов на большей части интервала времени измерения, а начало момента разрушения определяют по мере нагружения исследуемого участка массива по установленной зависимости.The method includes recording on the time interval the measurement of EMR signals and measuring their amplitudes, which determine the beginning of the destruction of the investigated area of the array. In this case, the measurement time interval is divided into two unequal parts, making measurement of the amplitudes of the signals at equal intervals at each of them. Before loading the investigated section of the array, determine the radiation intensity of the interference signal by measuring the amplitudes of the signals over most of the measurement time interval, and the beginning of the moment of destruction is determined as the studied section of the array is loaded according to the established dependence.

Недостатком этого способа является необходимость в процессе измерения догружать исследуемый участок массива, например, проведением встречной выработки. Однако это сложная технологическая операция, затраты времени и труда на выполнение которой могут составлять до нескольких суток.The disadvantage of this method is the need for the measurement process to load the investigated area of the array, for example, by conducting counter-development. However, this is a complex technological operation, the time and labor costs of which can be up to several days.

Вследствие этого использование способа не находит применения в практике горного дела. Другим недостатком этого способа является его ориентация на использование сигналов ЭМИ, формируемых искусственно и, следовательно, не отражающих действительное состояние массива горных пород. Еще одним недостатком этого способа является невозможность измерений в скважинах и шпурах из-за значительных габаритов реализующей способ аппаратуры.As a result, the use of the method does not find application in the practice of mining. Another disadvantage of this method is its orientation to the use of EMP signals generated artificially and, therefore, not reflecting the actual state of the rock mass. Another disadvantage of this method is the impossibility of measurements in wells and holes due to the significant dimensions of the apparatus implementing the method.

Наиболее близким по технической сущности и совокупности существенных признаков является способ выделения границ опасной зоны в массиве горных пород по авт.св. СССР №1740664, Е21С 39/00, опубл. в БИ №22, 1992 г.The closest in technical essence and the set of essential features is a way of highlighting the boundaries of the danger zone in the rock massif according to Auth. USSR No. 1740664, Е21С 39/00, publ. in BI No. 22, 1992

Этот способ включает поинтервальное измерение в процессе бурения прогнозных скважин активности N ЭМИ горных пород и сравнение значений N с критическим N_кp, характерным для данных горно-геологических условий. При этом прерывают процесс бурения в конце каждого интервала и дополнительно измеряют время Т затухания активности ЭМИ, определяют значение времени Т на интервале, непосредственно предшествующем интервалу с N≥N_кр, и принимают его за критическое T_кp, а начало и окончание опасной зоны устанавливают по интервалам бурения, на которых одновременно выполняют условия соответственноThis method includes the interval measurement in the process of drilling predictive wells of the activity of N EMR rocks and comparing the values of N with a critical N _cr characteristic for these mining and geological conditions. At the same time, the drilling process is interrupted at the end of each interval and additionally measure the time T of attenuation of the EMR activity, the value of time T is determined on the interval immediately preceding the interval with N≥N _cr , and it is taken as the critical T _cr , and the beginning and end of the danger zone are set by drilling intervals, which simultaneously fulfill the conditions, respectively

N≥N_кр, T≥T_кр и N<N_кр, T<T_кр.N≥N _cr , T≥T _cr and N <N _cr , T <T _cr .

Недостатком этого способа является необходимость поинтервально бурить измерительную скважину в процессе контроля, что обуславливает значительную трудоемкость способа. Кроме того, этот способ не позволяет использовать ранее пробуренные скважины, которые всегда имеются на горных предприятиях. Еще одним недостатком этого способа является внесение в массив контролируемых горных пород локальных возмущений при бурении скважины. Наконец, еще одним недостатком этого способа является то, что регистрацию ЭМИ выполняют не в измерительной скважине, а перед ее устьем в горной выработке, где в процессе измерения располагают измерительный прибор. Измеряют смесь сигнала фонового ЭМИ в самой выработке, где пробурена измерительная скважина, с сигналами ЭМИ из забоя измерительной скважины, формирующимися после бурения скважины, что существенно снижает точность и адекватность результатов измерений. К тому же, интервалы измерений в этом способе приняты равными 1 м, что значительно снижает достоверность нахождения интервала с величиной N_max интенсивности ЭМИ. Уменьшение же размера интервалов ведет к резкому повышению трудоемкости известного способа.The disadvantage of this method is the need to intervally drill a measuring well in the control process, which leads to a significant complexity of the method. In addition, this method does not allow the use of previously drilled wells, which are always available at mining enterprises. Another disadvantage of this method is the introduction into the array of controlled rocks of local disturbances when drilling a well. Finally, another drawback of this method is that the registration of EMR is performed not in the measuring well, but in front of its mouth in the mine, where the measuring device is located during the measurement. A mixture of the background EMP signal is measured in the production itself, where the measuring well is drilled, with EMR signals from the bottom of the measuring well that form after drilling the well, which significantly reduces the accuracy and adequacy of the measurement results. In addition, the measurement intervals in this method are taken equal to 1 m, which significantly reduces the reliability of finding the interval with the value of N _max intensity of electromagnetic radiation. Reducing the size of the intervals leads to a sharp increase in the complexity of the known method.

Известно устройство для электромагнитного каротажа скважин по авт.св. СССР №427302, G01v 3/18, опубл. в БИ №17, 1974 г.A device for electromagnetic well logging according to auth. USSR No. 427302, G01v 3/18, publ. in BI No. 17, 1974

Оно включает генераторную часть, зонд с генераторной и приемной катушками и приемную часть, при этом генераторная и приемная части охвачены общей отрицательной обратной связью, в цепи которой включен амплитудный детектор.It includes a generator part, a probe with generator and receiving coils and a receiving part, while the generating and receiving parts are covered by a common negative feedback, in the circuit of which an amplitude detector is connected.

Недостатком этого устройства является наличие генераторной катушки, что усложняет конструкцию прибора при измерении фонового ЭМИ. Другим недостатком является отсутствие расширителя полосы принимаемых частот сигналов ЭМИ, что приводит к невозможности измерения всего спектра фоновых излучений ЭМИ в скважине. При этом возникает потеря части информации о напряженно-деформированном состоянии массива. И, наконец, существенным недостатком этого устройства является отсутствие средств контроля за внезапным повышением уровня принимаемого сигнала ЭМИ, сигнализирующего о надвигающейся аварийной ситуации в подземной горной выработке.The disadvantage of this device is the presence of a generator coil, which complicates the design of the device when measuring background EMP. Another disadvantage is the lack of an extender of the band of received frequencies of EMR signals, which makes it impossible to measure the entire spectrum of background EMR emissions in the well. This causes the loss of some information about the stress-strain state of the array. And, finally, a significant drawback of this device is the lack of means of monitoring a sudden increase in the level of the received EMR signal, signaling an impending emergency in underground mining.

Наиболее близким по технической сущности и совокупности существенных признаков является устройство для прогноза разрушения горных пород по патенту РФ №2137920, Е21C 39/00, G01N 29/04, опубл. в БИ №26, 1996 г., включающее канал приема и регистрации эмиссионных сигналов с последовательно включенными усилителем и регистратором, при этом в него введены электромагнитный преобразователь-антенна, формирователь порогового напряжения, детектор, компаратор, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) и индикатор, входом подключенный к выходу АЦП, вход которого подсоединен к выходу детектора с подключенными к нему входами компаратора и формирователя порогового напряжения, выход которого подключен ко второму входу компаратора, при этом выход компаратора подсоединен к выполненному в виде свето- и звукового сигнализатора регистратору сигналов электромагнитной эмиссии, а вход детектора подключен к выходу усилителя, ко входу которого подсоединен электромагнитный преобразователь-антенна.The closest in technical essence and the set of essential features is a device for predicting the destruction of rocks according to the patent of the Russian Federation No. 2137920, E21C 39/00, G01N 29/04, publ. in BI No. 26, 1996, which includes a channel for receiving and recording emission signals with an amplifier and a recorder connected in series, with an electromagnetic converter-antenna, threshold voltage generator, detector, comparator, analog-to-digital converter (ADC) and indicator connected to the output of the ADC, the input of which is connected to the output of the detector with the inputs of the comparator and the threshold voltage driver connected to it, the output of which is connected to the second input of the comparator, while the output the comparator is connected to a registrar of electromagnetic emission signals made in the form of a light and sound signaling device, and the input of the detector is connected to the output of the amplifier, to the input of which an electromagnetic converter-antenna is connected.

Недостатком этого устройства является невозможность проводить измерения сигналов ЭМИ в скважинах из-за относительно малых размеров скважин и шпуров по сравнению с размерами устройства. Еще одним недостатком этого устройства является отсутствие генераторов в каналах световой и звуковой сигнализации, что снижает надежность контроля аварийных ситуаций, связанных с внезапным разрушением горных пород. Устройство не позволяет качественно контролировать изменение уровня электромагнитной эмиссии при внезапных разрушениях.The disadvantage of this device is the inability to measure the EMP signals in the wells due to the relatively small size of the wells and holes in comparison with the size of the device. Another disadvantage of this device is the lack of generators in the channels of light and sound alarms, which reduces the reliability of the control of emergency situations associated with the sudden destruction of rocks. The device does not allow to qualitatively control the change in the level of electromagnetic emission in case of sudden damage.

Техническая задача - повышение достоверности способа выделения зоны повышенных напряжений в массиве горных пород и снижение его трудоемкости за счет регистрации импульсов ЭМИ непосредственно в измерительной скважине, пробуренной в массиве горных пород из подземной горной выработки.The technical task is to increase the reliability of the method for highlighting the zone of high stresses in the rock mass and reducing its complexity by registering EMR pulses directly in the measuring well drilled in the rock mass from underground mining.

Поставленная техническая задача решается путем регистрации ЭМИ в измерительной скважине с помощью устройства для измерения в скважине сигналов ЭМИ горных пород, включающего преобразователь сигналов ЭМИ, поинтервально перемещаемый в скважине, и регистратор сигналов ЭМИ, размещаемый перед устьем скважины и связанный гальванической связью с преобразователем сигналов ЭМИ.The stated technical problem is solved by registering EMP in a measuring well using a device for measuring EMP signals from rocks in the well, including an EMP signal converter moving in the well at intervals, and an EMP signal recorder located in front of the wellhead and connected by galvanic communication with the EMP signal converter.

Решение поставленной технической задачи осуществляется тем, что в способе выделения зоны повышенных напряжений в массиве горных пород, включающем бурение измерительной скважины, размещение перед ее устьем регистратора сигналов ЭМИ, входящего с преобразователем сигналов ЭМИ в устройство для измерения в скважинах сигналов ЭМИ горных пород и имеющего с указанным преобразователем гальваническую связь, формирование цифрового сигнала с помощью АЦП и жидко-кристаллического индикатора (ЖКИ) регистратора сигналов ЭМИ, поинтервальное измерение величины N_i интенсивности ЭМИ горных пород на i-м интервале с помощью упомянутого устройства для измерения сигналов ЭМИ, сравнение величины N_l интенсивности ЭМИ на первом интервале с критической величиной N_k(интенсивности ЭМИ, характерной для данных горно-геологических условий и определение наибольшей из них, согласно техническому решению выполненный в виде отдельного блока преобразователь сигналов ЭМИ размещают в измерительной скважине с помощью диэлектрической штанги, установив его на одном ее конце, а соединенный с ним экранированным кабелем регистратор сигналов ЭМИ размещают на противоположном ее конце. Поинтервальное измерение величины интенсивности N_i производят путем поинтервального перемещения упомянутого преобразователя в измерительной скважине с помощью указанной диэлектрической штанги, а сравнение величин N_2...n интенсивности ЭМИ, начиная со второго интервала до n-го, производят с наибольшей из предыдущих, определяя максимальную величину N_max, которую принимают за критическую величину N^' _k для данного массива горных пород. Границы зоны повышенных напряжений определяют по минимальной величине N_min интенсивности ЭМИ из соотношения N_min=0,8N^' _k.The solution of the technical problem is carried out by the fact that in the method of highlighting the zone of high stresses in the rock mass, including drilling a measuring well, placing an EMP signal recorder in front of its mouth that enters with an EMP signal converter into a device for measuring rock EMP signals in wells and having the specified converter galvanic coupling, the formation of a digital signal using an ADC and a liquid crystal indicator (LCD) of the EMR signal recorder, interval measurement s value N _i intensity emr rocks on the i-th interval with said device for measuring electromagnetic radiation signals, a comparison value N _l intensity electromagnetic radiation at a first interval with a critical value of N _k (intensity emr characteristic data geological conditions and determining the greatest of them, according to the technical solution made in the form of a separate unit, the EMR signal converter is placed in a measuring well using a dielectric rod, installing it at one of its ends, and shields connected to it With this cable, the EMR signal recorder is placed at its opposite end. Interval measurement of the intensity value N _{i is} carried out by interval-wise moving the aforementioned transducer in the measuring well using the indicated dielectric rod, and comparing the values of N _{2 ... n} EMR intensities, starting from the second interval to the n-th, are performed with the largest of the previous ones, determining the maximum the value of N _max , which is taken as the critical value of N ^' _k for a given rock mass. The boundaries of the zone of increased stresses are determined by the minimum value of N _{min the} intensity of the EMP from the relation N _min = 0,8N ^' _k .

Поставленная задача решается также тем, что в устройстве для измерения в скважинах сигналов ЭМИ горных пород, включающем соединенные гальванической связью преобразователь сигналов ЭМИ и регистратор сигналов ЭМИ, содержащий источник питания, средняя точка которого заземлена, операционный усилитель и последовательно соединенные детектор, АЦП и ЖКИ, согласно техническому решению преобразователь сигналов ЭМИ содержит приемную магнитную дифференциальную антенну в виде двух согласно намотанных на ферритовом стержне приемных катушек, выводы которых подключены к информационным входам измерительного усилителя, и источник питания, нулевая шина которого заземлена и подключена к общей точке соединения упомянутых приемных катушек и средней точке измерительного усилителя. Элементы преобразователя сигналов ЭМИ заключены в диэлектрический корпус и размещены на одном конце диэлектрической штанги, на противоположном конце которой размещен регистратор сигналов ЭМИ, а гальваническая связь между упомянутыми преобразователем и регистратором выполнена экранированным кабелем. Между операционным усилителем и детектором регистратора сигналов ЭМИ подключен расширитель полосы пропускания частот сигналов ЭМИ.The problem is also solved by the fact that in the device for measuring in the wells EMR signals of rocks, including galvanically coupled EMP signal converter and an EMR signal recorder containing a power source, the midpoint of which is grounded, an operational amplifier and a series-connected detector, ADC and LCD, according to the technical solution, the EMR signal converter comprises a receiving magnetic differential antenna in the form of two receiving coils wound on a ferrite rod, the odes of which are connected to the information inputs of the measuring amplifier, and a power source, the zero bus of which is grounded and connected to the common point of connection of the mentioned receiving coils and the middle point of the measuring amplifier. Elements of the EMR signal converter are enclosed in a dielectric casing and placed on one end of the dielectric rod, at the opposite end of which there is an EMR signal recorder, and the galvanic connection between the converter and the recorder is made by a shielded cable. Between the operational amplifier and the detector of the EMR signal recorder is connected a bandwidth extender of the EMR signal frequencies.

Указанная совокупность признаков позволяет производить регистрацию импульсов ЭМИ непосредственно в измерительной скважине, что повышает достоверность способа выделения зоны повышенных напряжений в массиве горных пород и снижает его трудоемкость.The specified set of features allows the registration of EMR pulses directly in the measuring well, which increases the reliability of the method of identifying areas of high stress in the rock mass and reduces its complexity.

В предложенном техническом решении интервалы измерения принимают, исходя из необходимой точности, - от нескольких сантиметров до десятков сантиметров. Последнее достигается за счет операции установки преобразователя на диэлектрической штанге, которую в процессе измерения перемещают вдоль измерительной скважины на выбранные интервалы.In the proposed technical solution, the measurement intervals are taken based on the necessary accuracy, from a few centimeters to tens of centimeters. The latter is achieved through the operation of installing the transducer on a dielectric rod, which during the measurement process is moved along the measuring well at selected intervals.

Таким образом, предложенный способ с помощью предложенного устройства обеспечивают выделение зоны повышенных напряжений в массиве горных пород и решают поставленную техническую задачу - повышение достоверности способа выделения зоны повышенных напряжений и снижение его трудоемкости за счет регистрации импульсов ЭМИ непосредственно в измерительной скважине.Thus, the proposed method using the proposed device provides the allocation of the zone of high stresses in the rock mass and solve the technical problem - increasing the reliability of the method of allocating the zone of high stresses and reducing its complexity by registering EMP pulses directly in the measuring well.

Целесообразно одновременно с формированием цифрового сигнала формировать световой и звуковой сигналы о возрастании величины N_i с течением времени с помощью канала сигнализации упомянутого регистратора сигналов ЭМИ. Для этого целесообразно регистратор сигналов ЭМИ в устройстве снабдить каналом сигнализации, включающим формирователь порогового напряжения, подключенный входом к выходу указанного детектора, а выходом - к первому входу компаратора, второй вход которого подключен к выходу указанного детектора. Выход компаратора соединен со входами первого и второго генераторов прямоугольных импульсов, выходы которых соединены соответственно со световым и звуковым сигнализаторами.It is advisable simultaneously with the formation of a digital signal to generate light and sound signals about an increase in the value of N _i over time using the signaling channel of the said EMR signal recorder. To this end, it is advisable to provide the EMR signal recorder in the device with an alarm channel, including a threshold voltage driver, connected by an input to the output of the specified detector, and by an output to the first input of the comparator, the second input of which is connected to the output of the specified detector. The output of the comparator is connected to the inputs of the first and second rectangular pulse generators, the outputs of which are connected respectively to the light and sound signaling devices.

Световая и звуковая сигнализации повышают достоверность выделения зоны повышенных напряжений в массиве горных пород.Light and sound alarms increase the reliability of the allocation of the zone of high stresses in the rock mass.

Сущность предлагаемого технического решения поясняется примером конкретного выполнения и чертежами фиг.1, 2, где на фиг.1 приведен продольный разрез измерительной скважины с размещенным в ней преобразователем сигналов ЭМИ, а перед ее устьем - регистратором сигналов ЭМИ упомянутого устройства для измерения в скважинах сигналов ЭМИ горных пород, а на фиг.2 - блок-схема рассматриваемого устройства.The essence of the proposed technical solution is illustrated by an example of a specific implementation and the drawings of figures 1, 2, where Fig. 1 shows a longitudinal section of a measuring well with an EMP signal converter placed in it, and before its mouth, an EMR signal recorder of the said device for measuring EMP signals in wells rocks, and figure 2 is a block diagram of the device in question.

Заявленный способ выделения зоны повышенных напряжений в массиве горных пород на основе регистрации ЭМИ в скважинах реализуют с помощью заявляемого устройства 1 для измерения в скважинах сигналов ЭМИ горных пород (фиг.1 и фиг.2).The claimed method for isolating a zone of increased stresses in a rock mass based on the registration of EMR in wells is implemented using the inventive device 1 for measuring signals of EMR of rocks in wells (FIG. 1 and FIG. 2).

Устройство 1 состоит из преобразователя 2 сигналов ЭМИ (далее - преобразователь 2), выполненного в виде отдельного блока, который размещают в измерительной скважине 3, пробуренной в массиве горных пород 4 в стенке горной выработки, и регистратора 5 сигналов ЭМИ (далее - регистратор 5), который размещают перед устьем измерительной скважины 3. При этом преобразователь 2 и регистратор 5 устанавливают на диэлектрической штанге 6 и соединяют между собой гальванической связью с помощью экранированного кабеля 7. При этом преобразователь 2 устанавливают на одном конце диэлектрической штанги 6, размещенном в измерительной скважине 3 на участке массива горных пород 4 с повышенным трещинообразованием, причем трещины 8 в массиве горных пород вокруг скважины 3 являются генераторами ЭМИ, а регистратор 5 установлен на противоположном конце диэлектрической штанги 6.The device 1 consists of a converter 2 of EMP signals (hereinafter referred to as converter 2), made in the form of a separate block, which is placed in a measuring well 3 drilled in a rock mass 4 in the wall of a mine working, and a recorder 5 of EMP signals (hereinafter referred to as recorder 5) , which is placed in front of the mouth of the measuring well 3. In this case, the transducer 2 and the recorder 5 are mounted on a dielectric rod 6 and connected to each other by galvanic connection using a shielded cable 7. In this case, the transducer 2 is installed at one end of the dielectric rod 6, placed in the measuring well 3 in the area of the rock mass 4 with increased crack formation, the cracks 8 in the rock mass around the well 3 are EMP generators, and the recorder 5 is installed on the opposite end of the dielectric rod 6.

Преобразователь 2 содержит приемную магнитную дифференциальную антенну (далее - антенна) в виде двух согласно намотанных на общем ферритовом стержне 9 приемных катушек 10 и 11, выводы которых подключены к двум информационным входам измерительного усилителя 12, и источник питания 13, нулевая шина 14 которого заземлена и подключена к общей точке соединения приемных катушек 10 и 11 и к средней точке измерительного усилителя 12.The transducer 2 contains a receiving magnetic differential antenna (hereinafter referred to as the antenna) in the form of two receiving coils 10 and 11, according to the windings 9 and 11, wound on a common ferrite rod, the terminals of which are connected to two information inputs of the measuring amplifier 12, and a power source 13, the zero bus 14 of which is grounded and connected to a common connection point of the receiving coils 10 and 11 and to the midpoint of the measuring amplifier 12.

Регистратор 5 содержит последовательно соединенные операционный усилитель 15, расширитель 16 полосы пропускания частот, детектор 17, АЦП 18 и ЖКИ 19. При этом вход операционного усилителя 15 соединен экранированным кабелем 7 с выходом измерительного усилителя 12 преобразователя 2.The registrar 5 contains a series-connected operational amplifier 15, an extender 16 of the frequency bandwidth, a detector 17, the ADC 18 and the LCD 19. In this case, the input of the operational amplifier 15 is connected by a shielded cable 7 to the output of the measuring amplifier 12 of the converter 2.

Канал сигнализации регистратора 5 включает формирователь 20 порогового напряжения, подключенный к выходу детектора 17, выход формирователя 20 порогового напряжения подключен к первому входу компаратора 21, ко второму входу которого подключен выход детектора 17, а выход компаратора 21 соединен со входами генераторов 22 и 23 прямоугольных импульсов. Выход генератора 23 подсоединен ко входу светового сигнализатора 24, а выход генератора 22 - ко входу звукового сигнализатора 25.The signaling channel of the recorder 5 includes a threshold voltage generator 20 connected to the output of the detector 17, the output of the threshold voltage generator 20 is connected to the first input of the comparator 21, the output of the detector 17 is connected to its second input, and the output of the comparator 21 is connected to the inputs of the rectangular pulse generators 22 and 23 . The output of the generator 23 is connected to the input of the light signaling device 24, and the output of the generator 22 is connected to the input of the sound signaling device 25.

Блок регистрации 5 имеет источник 26 питания.The registration unit 5 has a power supply 26.

Работа устройства для измерения в скважинах сигналов ЭМИ горных пород для выделения зоны повышенных напряжений в массиве горных пород 4 основана на регистрации сигналов ЭМИ горных пород в измерительных скважинах 3, пробуренных в стенках подземных горных выработок, и состоит в следующем.The operation of the device for measuring the signals of EMR of rocks in the wells to isolate the zone of increased stresses in the rock mass 4 is based on the registration of EMR signals of rocks in the measuring wells 3 drilled in the walls of underground mine workings, and consists of the following.

В массиве 4 горных пород вокруг измерительной скважины 3, являющейся концентратором механических напряжений, образуются трещины 8, на свежеобразованных поверхностях которых за счет вылета тепловых электронов формируются электрические заряды, при движении и колебании которых возникает ЭМИ, которое, распространяясь в пространстве измерительной скважины 3, воздействует на приемные катушки 10 и 11 преобразователя 2. Сигналы ЭМИ с последних в противофазе подают на входы измерительного усилителя 12.In the rock mass 4 around the measuring well 3, which is a concentrator of mechanical stresses, cracks 8 are formed, on the freshly formed surfaces of which electric charges are formed due to the release of thermal electrons, during their movement and oscillation an EMR which propagates in the space of the measuring well 3 acts to the receiving coils 10 and 11 of the converter 2. Signals of EMP from the latter in antiphase are fed to the inputs of the measuring amplifier 12.

Антенна выполнена активной за счет введения измерительного усилителя 12 и источника 13 питания. Измерительный усилитель 12 служит для подавления синфазных помех, наведенных в приемных катушках 10 и 11 от внешних источников сторонних ЭДС, а также для усиления сигнала ЭМИ. При этом сигналы ЭМИ, снимаемые с выходов приемных катушек 10 и 11, поступают соответственно на прямой и инверсный входы измерительного усилителя 12.The antenna is made active by introducing a measuring amplifier 12 and a power source 13. The measuring amplifier 12 serves to suppress common-mode interference induced in the receiving coils 10 and 11 from external sources of external EMF, as well as to amplify the EMP signal. In this case, the EMP signals taken from the outputs of the receiving coils 10 and 11, respectively, are fed to the direct and inverse inputs of the measuring amplifier 12.

Сигналы ЭМИ с выхода измерительного усилителя 12 поступают на вход операционного усилителя 15 регистратора 5 по коаксиальному кабелю 7, чем обеспечивают гальваническую связь между преобразователем 2 и регистратором 5. Усиленные сигналы с выхода операционного усилителя 15 через последовательно соединенные расширитель 16 полосы пропускания частот сигналов ЭМИ, детектор 17, АЦП 18 поступают на вход ЖКИ 19, где в цифровом коде высвечиваются амплитудные значения интенсивности сигналов ЭМИ, интегрально усредненные на фиксированном промежутке времени Т=1 с.The EMP signals from the output of the measuring amplifier 12 are fed to the input of the operational amplifier 15 of the recorder 5 through a coaxial cable 7, which provides galvanic communication between the converter 2 and the recorder 5. The amplified signals from the output of the operational amplifier 15 through a series-connected expander 16 of the passband frequency of the EMP signals, the detector 17, the ADC 18 is fed to the input of the LCD 19, where in the digital code the amplitude values of the intensity of the EMP signals are displayed, which are integrally averaged over a fixed time interval nor T = 1 s.

Операционный усилитель 15 обеспечивает согласование входной цепи преобразователя 2 сигналов ЭМИ и цепей регистратора 5 и необходимое усиление сигналов. Расширитель 16 полосы пропускания частот сигналов ЭМИ обеспечивает восстановление полосы пропускания принимаемых частот в регистрируемом сигнале ЭМИ. Детектор 17 (амплитудный детектор) обеспечивает выпрямление сигнала ЭМИ с тем, чтобы зафиксировать его в фиксирующей (интегрирующей) цепи в виде некоторой площади, пропорциональной интенсивности измеряемого сигнала ЭМИ. Сигнал с выхода детектора 17 поступает на вход АЦП 18, с выхода которого в цифровой форме в В/м в виде суммы интегрально усредненных амплитуд сигнала за фиксированный промежуток времени (1 с) высвечивается на табло ЖКИ 19.The operational amplifier 15 provides coordination of the input circuit of the converter 2 of the EMP signals and the circuits of the recorder 5 and the necessary amplification of the signals. The extender 16 of the passband frequency of the EMP signals provides the restoration of the bandwidth of the received frequencies in the recorded EMR signal. The detector 17 (amplitude detector) provides the rectification of the EMP signal in order to fix it in the fixing (integrating) circuit in the form of a certain area proportional to the intensity of the measured EMP signal. The signal from the output of the detector 17 is fed to the input of the ADC 18, the output of which is digitally in V / m in the form of the sum of the integrally averaged signal amplitudes for a fixed period of time (1 s) displayed on the LCD panel 19.

Дискрету младшего двоичного разряда АЦП 18 или цену деления шкалы устройства 1 для измерения в скважинах сигналов ЭМИ горных пород при выделении зоны повышенных механических напряжений в массиве 4 горных пород на основе регистрации ЭМИ горных пород в измерительной скважине 3 выбирают из условия двукратного превышения частоты опроса (дискретизации) АЦП над максимальной частотой принимаемого сигнала ЭМИ. Так, при приеме сигнала ЭМИ с максимальной частотой, например 70 кГц, частота сигнала дискретизации АЦП должна быть не менее 140 кГц.The ADC 18 low-order binary bit or the scale division value of the device 1 for measuring EMR signals in rocks when highlighting a zone of increased mechanical stresses in rock mass 4 based on recording EMR of rocks in measuring well 3 is selected from the condition that the sampling frequency is doubled (sampling) ) ADC over the maximum frequency of the received EMP signal. So, when receiving an EMR signal with a maximum frequency, for example 70 kHz, the frequency of the ADC sampling signal should be at least 140 kHz.

В исходном состоянии с выхода генераторов 22 и 23 прямоугольных импульсов подают запрещающий сигнал, в результате чего на выходах генераторов 22, 23 прямоугольных импульсов будет нулевой потенциал. При этом звуковой 24 и световой 25 сигнализаторы не включаются. При резком повышении сигнала ЭМИ, вызванном, например, повышенным образованием трещин 8, напряжение на выходе детектора 17 повышается, и при повышении выходного напряжения формирователя 20 порогового напряжения срабатывает компаратор 21, снимающий запрет со входа управления генераторами 22, 23 прямоугольных импульсов.In the initial state, an inhibit signal is supplied from the output of the generators 22 and 23 of the rectangular pulses, as a result of which the outputs of the generators 22, 23 of the rectangular pulses will have a zero potential. In this case, the sound 24 and light 25 signaling devices do not turn on. With a sharp increase in the EMR signal, caused, for example, by the increased formation of cracks 8, the voltage at the output of the detector 17 rises, and with an increase in the output voltage of the threshold voltage driver 20, a comparator 21 is activated that removes the ban from the control input of rectangular pulse generators 22, 23.

С выхода генератора 22 импульсы напряжений прямоугольной формы частотой 10 кГц поступают на вход звукового сигнализатора 25, а с выхода генератора 23 импульсы напряжения прямоугольной формы частотой 4 кГц поступают на вход светового сигнализатора 24. Включаются указанные сигнализаторы 24 и 25, работа которых будет продолжаться до тех пор, пока не исчезнет аварийный сигнал ЭМИ.From the output of the generator 22, the voltage pulses of a rectangular shape with a frequency of 10 kHz arrive at the input of the audible warning device 25, and from the output of the generator 23, the pulses of a voltage of rectangular shape with a frequency of 4 kHz arrive at the input of a light detector 24. These signaling devices 24 and 25 are turned on, the operation of which will continue until until the EMP alarm disappears.

Назначение канала сигнализации состоит в своевременном, в том числе аварийном, режиме выдавать информацию о внезапном или постоянном возрастании интенсивности сигналов ЭМИ. Это может происходить при постоянном росте напряжений в контролируемом участке массива 4, например, на стадии подготовки динамического проявления, например, горного удара, а также при быстром разрушении горных пород в результате отслаивания или готовящегося локального обрушения породы.The purpose of the signaling channel is to provide timely, including emergency, information on a sudden or constant increase in the intensity of electromagnetic radiation signals. This can occur with a constant increase in stresses in a controlled area of massif 4, for example, at the stage of preparing a dynamic manifestation, for example, a rock impact, as well as with rapid destruction of rocks as a result of delamination or impending local collapse of the rock.

Реализация расширителя 16 полосы пропускания частот сигналов ЭМИ может осуществляться известными методами: использованием фильтров сосредоточенной селекции в области высоких частот, набором дифференцирующих и интегрирующих RC-цепей с применением разделительных операционных усилителей в области низких частот, применением гираторов и т.д.The implementation of the extender 16 of the passband frequency of the EMP signals can be carried out by well-known methods: using concentrated selection filters in the high frequency region, a set of differentiating and integrating RC circuits using dividing operational amplifiers in the low frequency region, using gyrators, etc.

В рассматриваемом случае расширитель 16 полосы пропускания частот сигналов ЭМИ выполнен в виде интегрирующей RC-цепи с большой постоянной τ времени, установленной в цепи обратной связи операционного усилителя 15. Тем самым осуществлен подъем характеристики коэффициента усиления в сторону высоких частот и увеличение полосы пропускания частот сигналов ЭМИ до принятых границ 70 Гц ÷ 70 кГц диапазона.In this case, the extender 16 of the passband frequency of the EMP signals is made in the form of an integrating RC circuit with a large constant τ time installed in the feedback circuit of the operational amplifier 15. Thereby, the gain characteristic is increased towards high frequencies and the bandwidth of the frequencies of the EMP signals is increased to the accepted boundaries of the 70 Hz ÷ 70 kHz range.

Выделение зоны повышенных напряжений в массиве горных пород осуществляют путем бурения измерительной скважины, размещения перед ее устьем регистратора сигналов ЭМИ, входящего с преобразователем сигналов ЭМИ в устройство для измерения в скважинах сигналов ЭМИ горных пород и имеющего с указанным преобразователем гальваническую связь, формирование цифрового сигнала с помощью АЦП и ЖКИ регистратора сигналов ЭМИ, поинтервальное измерение величины N_i интенсивности ЭМИ на i-м интервале с помощью упомянутого устройства для измерения сигналов ЭМИ, сравнение величины N_l интенсивности ЭМИ на первом интервале с критической величиной N_k интенсивности ЭМИ, характерной для данных горно-геологических условий, и определение наибольшей из них. При этом выполненный в виде отдельного блока преобразователь сигналов ЭМИ размещают в измерительной скважине с помощью диэлектрической штанги, установив его на одном ее конце, а соединенный с ним экранированным кабелем регистратор сигналов ЭМИ размещают на противоположном ее конце, при этом поинтервальное измерение величины интенсивности N_i производят путем поинтервального перемещения упомянутого преобразователя в измерительной скважине с помощью упомянутой диэлектрической штанги. Для упрощения этой операции на диэлектрической штанге наносят метки через промежутки, равные длине выбранных интервалов измерения величин интенсивности ЭМИ. Сравнение величин N_2...n интенсивности ЭМИ, начиная со второго интервала до n-го, производят с наибольшей из предыдущих, определяя максимальную величину N_max, которую принимают за критическую величину N^' _k для данного массива горных пород. Границы зоны повышенных напряжений определяют по минимальной величине N_min интенсивности ЭМИ из соотношения N_min=0,8N^' _k.The selection of the zone of increased stresses in the rock mass is carried out by drilling a measuring well, placing an EMR signal recorder in front of its mouth that enters with an EMR signal converter into a device for measuring rock EMP signals in the wells and has galvanic communication with the indicated converter, generating a digital signal using ADC and LCD EMI signals registrar-wise dimension values N _i EMR intensity at i-th interval by said apparatus for measuring signal in EMP comparison value N _l EMR intensity at a first interval with a critical value of N _k EMR intensity characteristic data geological conditions, and determining the largest one of them. At the same time, an EMR signal converter made in the form of a separate block is placed in a measuring well using a dielectric rod, installing it at one of its ends, and an EMR signal recorder connected to it with a shielded cable is placed at its opposite end, while an interval measurement of the intensity value N _{i is} performed by intermittently moving said transducer in a measuring well using said dielectric rod. To simplify this operation, marks are applied to the dielectric rod at intervals equal to the length of the selected intervals for measuring the intensity of electromagnetic radiation. Comparison of N _{2 ... n} values of EMR intensity, starting from the second interval to the n-th, is performed with the largest of the previous ones, determining the maximum value N _max , which is taken as the critical value N ^' _k for a given rock mass. The boundaries of the zone of increased stresses are determined by the minimum value of N _{min the} intensity of the EMP from the relation N _min = 0,8N ^' _k .

Протяженность зоны повышенных напряжений принимают равной расстоянию между интервалами с величинами N_min интенсивности ЭМИ, расположенными с противоположных сторон относительно интервала с величиной N_max. Из анализа экспериментальных данных N_min определяют по соотношению N_min=0,8N^' _k. Коэффициент 0,8 принят из условия исключения заведомо малых величин интенсивности ЭМИ, не влияющих на решение поставленной технической задачи.The length of high stress zone is taken equal to the distance between intervals to the values N _min emr intensity, arranged on opposite sides with respect to the interval with the value N _max. From the analysis of experimental data, N _min is determined by the ratio of N _min = 0.8 N ^' _k . The coefficient 0.8 is taken from the condition for the exclusion of obviously small values of the intensity of electromagnetic radiation, which do not affect the solution of the technical problem.

Одновременно с формированием цифрового сигнала формируют световой и звуковой сигналы о возрастании величины N_i с течением времени с помощью канала сигнализации упомянутого регистратора ЭМИ.Simultaneously with the formation of the digital signal, light and sound signals are generated indicating an increase in the value of N _i over time using the signaling channel of the said EMR recorder.

Выделение зоны повышенных напряжений в массиве 4 горных пород в рассматриваемом способе основано на формировании деформируемой породой ЭМИ, связанного с процессом трещинообразования в напряженном материале. Экспериментально на образцах и в массиве горных пород установлено: чем выше напряжения в локальном участке породного массива 4, тем выше интенсивность процесса трещинообразования и, соответственно, тем выше интенсивность регистрируемого ЭМИ. И наоборот, чем выше регистрируемая интенсивность ЭМИ, тем выше механические напряжения в данном локальном участке массива 4.The allocation of the zone of high stresses in the massif 4 rocks in the considered method is based on the formation of a deformable EMR rock associated with the cracking process in the stressed material. It was established experimentally on samples and in a rock mass: the higher the stress in the local area of rock mass 4, the higher the intensity of the cracking process and, accordingly, the higher the intensity of the recorded EMR. And vice versa, the higher the recorded EMR intensity, the higher the mechanical stresses in a given local area of array 4.

Claims

1. A method for isolating a zone of increased stresses in a rock mass, including drilling a measuring well, placing an electromagnetic radiation signal recorder (EMP) in front of its mouth, which is included in the device for measuring rock EMP signals in the wells with an electromagnetic signal transducer and having galvanic with the specified converter communication, the formation of a digital signal using an analog-to-digital converter (ADC) and a liquid crystal indicator (LCD) of an EMR signal recorder, interval measurement s value N _i intensity emr rocks on the i-th interval with said device for measuring electromagnetic radiation signals, a comparison value N ₁ EMR intensity at a first interval with a critical value of N _k (intensity emr characteristic geological conditions data, and determining the largest of them, characterized in that the EMR signal converter, made in the form of a separate unit, is placed in a measuring well using a dielectric rod, installing it at one of its ends, and a shielded cable connected to it elem EMR signal recorder located at the opposite end thereof, wherein the N-wise dimension of the intensity values is carried out by _i-wise movement of said transducer in a measurement borehole via said dielectric rod, and comparison of the N ₂ ... _n emr intensity, since the second interval to n-th, to generate most of the previous, determining the maximum value N _max, which was taken as the critical value N _'k for a given rock mass, wherein the raised border zone 's stress is determined by the minimum value N _min EMR intensity ratio of N _min = 0,8N _'k.

2. The method according to claim 1, characterized in that simultaneously with the formation of the digital signal, light and sound signals are generated indicating an increase in the value of N _i over time using the signaling channel of the said EMR signal recorder.

3. A device for measuring rock EMP signals in wells, including a galvanically coupled EMP signal converter and an EMR signal recorder, comprising a power source, the midpoint of which is grounded, an operational amplifier and a series-connected detector, ADC and LCD, characterized in that the signal converter The EMP contains a receiving magnetic differential antenna in the form of two receiving coils wound on a ferrite rod, the terminals of which are connected to the information inputs of the measurement amplifier, and a power source, the zero bus of which is grounded and connected to a common connection point of the mentioned receiving coils and the midpoint of the measuring amplifier, while the elements of the EMR signal converter are enclosed in a dielectric housing and placed on one end of the dielectric rod, on the opposite end of which there is a recorder EMP signals, and the galvanic connection between the aforementioned converter and the recorder is made by a shielded cable, and between the operational amplifier and the detector An EMP signal recorder is connected to an EMP signal bandwidth extender.

4. The device according to claim 3, characterized in that the EMR signal recorder in it is equipped with a signaling channel including a threshold voltage driver, connected by an input to the output of the specified detector, and by an output to the first input of the comparator, the second input of which is connected to the output of the specified detector, the output of the comparator is connected to the inputs of the first and second generators of rectangular pulses, the outputs of which are connected respectively to the light and sound signaling devices.