Институт горного дела СО РАН

На правах рукописи

Бизяев Алексей Анатольевич

ДИАГНОСТИКА НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ МАССИВА ГОРНЫХ ПОРОД ПО РЕГИСТРАЦИИ И ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ СОПУТСТВУЮЩЕГО ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

Специальность: 25.00.20 «Геомеханика, разрушение горных пород, рудничная аэрогазодинамика и горная теплофизика»

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: д.т.н., в.н.с. Яковицкая Галина Евгеньевна

Новосибирск, 2015

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ 6

Глава 1. Анализ вопроса диагностики напряженно-деформированного состояния в массивах горных пород 7

1.1. Динамические проявления горного давления в массивах горных пород как одна из опасных форм их разрушения 7

1.2. Модели разрушения горных пород и основные гипотезы возникновения электромагнитного излучения при разрушении горных пород 14

1.3. Методы и средства бесконтактной диагностики напряженно-деформированного состояния массивов горных пород 20

1.4. Анализ аппаратных решений для бесконтактного прогнозирования динамических проявлений горного давления 21

1.5. Анализ систем синхронных измерений и регистрации геомеханической информации 27

1.5.1. Регистратор электромагнитных и акустических сигналов РЭМС-1 в составе измерительного стенда 27

1.5.2. Стенд Института физики Земли им. О.Ю. Шмидта 29

1.5.3. Система синхронной регистрации сигналов ЭМИ и механических параметров образцов ИГД СО РАН 31

1.6. Методы повышения точности аналого-цифровых преобразований 33

1.7. Цель и основные задачи исследований 35

Глава 2. Алгоритмы обработки сигналов электро-магнитного излучения горных пород 37

2.1. Модели сигналов электромагнитного излучения горных пород на разных этапах разрушения. Связь параметров сигналов электромагнитного излучения с параметрами разрушения 37

2.2. Обнаружение смены стадии разрушения горных пород на основе обнаружения изменения интенсивности потока импульсов электромагнитного излучения 38

2.2.1. Формулировка задачи обнаружения изменения свойств нестационарного пуассоновского потока импульсов 38

2.2.2. Синтез алгоритма обнаружения изменения свойств нестационарного пуассоновского потока импульсов 40

2.2.3. Пример реализации алгоритма обнаружения изменения свойств нестационарного пуассоновского потока импульсов 43

2.3. Оценивание энергетических параметров сигнала в системе с двумя и тремя уровнями квантования 47

2.3.1. Оценивание энергетических параметров сигнала в системе с двумя уровнями квантования 48

2.3.2. Оценивание энергетических параметров сигнала в системе с тремя уровнями квантования 53

2.4. Выводы 57

Глава 3. Экспериментальные исследование сигналов электромагнитного излучения при разрушении образцов горных пород и диагностические критерии их разрушения 59

3.1. Задачи проведения лабораторных экспериментов 59

3.2. Автоматизированный стенд для синхронной регистрации нагрузки, деформации и ЭМИ 60

3.3. Система измерения деформаций на основе датчика измерения перемещений 62

3.4. Датчики ЭМИ 64

3.5. Программное обеспечение «АСИ-М» автоматизированного лабораторного стенда для синхронной регистрации нагрузки, деформации и ЭМИ 65

3.6. Лабораторные эксперименты по синхронной регистрации сигналов электромагнитного излучения, нагрузки и деформации 72

3.7. Разработка диагностических критериев разрушения горных пород 75

3.7.1. Разработка способа диагностики разрушения участка массива горных пород 75

3.7.2. Способ прогноза разрушения массива горных пород 80

3.8. Выводы по главе 82

Глава 4. Исследования процесса разрушения горных пород на основе регистрации сигналов электромагнитного излучения в натурных условиях подземных горных выработок 84

4.1. Основные задачи при проведении экспериментальных исследований в натурных условиях подземных горных выработок 84

4.2. Общая характеристика Таштагольского железорудного месторождения 84

4.3. Экспериментальные исследования ЭМИ в условиях рудника «Таштагольский» с помощью аппаратуры РЭМИ-2 86

4.3.1. Регистрация процесса разрушения в Орте № 4 горизонт –210м 86

4.3.2. Регистрация процесса разрушения в Ортах №№ 18, 19, 20 горизонт –350м  90

4.4. Регистрационно-диагностический комплекс РДК РЭМИ-3 98

4.5. Экспериментальные исследования разрушения горных пород в натурных условиях подземных горных выработок Таштагольского месторождения с использованием РДК РЭМИ-3 102

4.5.1. Предварительные испытания прибора РЭМИ-3 в условиях Таштагольского месторождения при различных ориентациях антенн 102

4.6. Экспериментальные исследования по диагностике процесса разрушения участка массивов горных пород с помощью аппаратуры РЭМИ-3 на Таштагольском руднике 103

4.7. Выводы 106

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 108

Список литературы 109