Теоретические и прикладные аспекты виброакустической диагностики расслоения потолочин большепролетных горных выработок
Розглянуто процес вільних коливань в тонкій плиті при її демпфіруванні. Обґрунтовано параметри та критерії віброакустичної діагностики стелин гірничих виробок великого прольоту. The process of free oscillations in a thin plate at a decrement is considered. The parameters and criterion of a vibrating...
Gespeichert in:
| Veröffentlicht in: | Геотехническая механика |
|---|---|
| Datum: | 2007 |
| Hauptverfasser: | , |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Russisch |
| Veröffentlicht: |
Інститут геотехнічної механіки імені М.С.Полякова НАН України
2007
|
| Online Zugang: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/31443 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Zitieren: | Теоретические и прикладные аспекты виброакустической диагностики расслоения потолочин большепролетных горных выработок / В.Н. Сергиенко, В.Б. Усаченко // Геотехническая механика: Межвед. сб. науч. тр. — Днепропетровск: ИГТМ НАНУ, 2007. — Вип. 73. — С. 151-157. — Бібліогр.: 4 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1859627836810199040 |
|---|---|
| author | Сергиенко, В.Н. Усаченко, В.Б. |
| author_facet | Сергиенко, В.Н. Усаченко, В.Б. |
| citation_txt | Теоретические и прикладные аспекты виброакустической диагностики расслоения потолочин большепролетных горных выработок / В.Н. Сергиенко, В.Б. Усаченко // Геотехническая механика: Межвед. сб. науч. тр. — Днепропетровск: ИГТМ НАНУ, 2007. — Вип. 73. — С. 151-157. — Бібліогр.: 4 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Геотехническая механика |
| description | Розглянуто процес вільних коливань в тонкій плиті при її демпфіруванні. Обґрунтовано параметри та критерії віброакустичної діагностики стелин гірничих виробок великого прольоту.
The process of free oscillations in a thin plate at a decrement is considered. The parameters and criterion of a vibrating-acoustic diagnosis of disintegration wide-span roofs of excavations are proved.
|
| first_indexed | 2025-11-29T13:54:49Z |
| format | Article |
| fulltext |
"Геотехническая механика" 151
УДК 622.83
В.Н. Сергиенко, В.Б. Усаченко
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ И ПРИКЛАДНЫЕ АСПЕКТЫ
ВИБРОАКУСТИЧЕСКОЙ ДИАГНОСТИКИ РАССЛОЕНИЯ
ПОТОЛОЧИН БОЛЬШЕПРОЛЕТНЫХ ГОРНЫХ ЫРАБОТОК
Розглянуто процес вільних коливань в тонкій плиті при її демпфіруванні. Обґрунтовано
параметри та критерії віброакустичної діагностики стелин гірничих виробок великого про-
льоту.
THEORETICAL AND APPLICATION ASPECTS OF A
VIBRATING-ACOUSTIC DIAGNOSIS OF A DISINTEGRATION
WIDE-SPAN ROOFS OF A EXCAVATIONS
The process of free oscillations in a thin plate at a decrement is considered. The parameters and
criterion of a vibrating-acoustic diagnosis of disintegration wide-span roofs of excavations are
proved.
Одним из главных источников опасности при длительной эксплуатации вы-
работок большого пролета является обрушение кровли. Длительные наблюде-
ния за поведением кровли в отработанных камерах гипсовых шахт, показали,
что этот процесс при отсутствии геологических нарушений в потолочине не
происходит мгновенно. Его развитие подчиняется определенным закономерно-
стям.
Начало деформационных процессов в потолочине выработки связано с ее
расслаиванием по слабым пропласткам на отдельные породные пачки. Их мощ-
ность колеблется от десятков сантиметров до 2 метров. Величина воздушного
зазора между слоями в кровле может составлять от единиц до десятков милли-
метров. Процесс формирования зазора продолжается обычно несколько лет.
Возможны несколько вариантов его дальнейшего развития. По первому, мало-
вероятному варианту, процесс прогиба слоев затухает. По второму варианту,
который чаще всего имеет место на практике, скорость опускания нижнего слоя
кровли по отношению к глубинным слоям массива стабилизируется на уровне
десятых долей миллиметра в год. Площадь зоны отслоения также постепенно
увеличивается. Вследствие возникших напряжений в кровле возникает система
трещин. Такая структура кровли является потенциально опасной по фактору
обрушения и требует наблюдения и принятия инженерных мероприятий по
креплению. Третий вариант – это развитие аварийной ситуации, когда скорость
опускания кровли быстро нарастает, что в конечном итоге приводит к ее обру-
шению.
Вышесказанное свидетельствует о важности задачи регулярного и эффек-
тивного контроля за состоянием потолочины. Одним из наиболее оперативных
методов контроля является виброакустический.
Суть метода заключается в возбуждении собственных колебаний участка
потолочины и регистрации их параметров: начальной или усредненной за опре-
деленный период времени амплитуды колебаний, продолжительности пакета
колебаний, спектрального состава либо других характеристик [1, 2].
152 Выпуск № 73
Для обоснования критериев состояния потолочины по параметрам ее сво-
бодных колебаний рассмотрим ее математическую модель.
В условиях камерно-столбовой системы с длинными прямоугольными цели-
ками наиболее часто встречается случай, когда отслоившаяся породная пачка в
плане защемлена по границе с целиками, а по коротким - разделена трещиной с
более удаленными участками потолочины (рис. 1).
Рис. 1 – Границы отслоившейся породной пачки в плане.
Толщина отслоившегося слоя составляет в основном десятки сантиметров.
Чаще всего на его верхней границе воздушный промежуток. Однако, в ряде
случаев, нижний слой контактирует с другой средой, неспособной препятство-
вать воздействию растягивающих напряжений, но способствующей демпфиро-
ванию свободных колебаний. Такой средой являются преимущественно влаж-
ные глинистые породы. Поэтому для постановки задачи принимается общий
случай наличия над нижним слоем потолочины менее жесткой среды, обла-
дающей упругими и вязкими свойствами (рис. 2).
Рис. 2 – Разрез потолочины в поперечном сечении выработки
a
b
b
h
"Геотехническая механика" 153
Параметры, характеризующие материал плиты, обозначаются с нижним ин-
дексом «1», а параметры, относящиеся к покрывающему слою, обозначаются,
соответственно, с нижним индексом «2».
Мощность h отслоения значительно меньше его размеров в плане. Исходя из
этого, для изучения характера колебательных процессов слой может моделиро-
ваться тонкой плитой. Выбор системы координат для модели иллюстрируется
рис. 3.
Рис. 3 – Выбор системы координат для модели
Предполагается, что материал плиты является однородным и изотропным.
Особенность данной модели определяют граничные условия, которые заклю-
чаются в следующем:
защемление по коротким сторонам плиты отсутствует и вдоль этих границ,
изгибающий момент М = 0, и перерезающая сила Q = 0;
защемление по длинным сторонам является упругим и вдоль указанных гра-
ниц выполняются соотношения
где u – вибросмещение,
α и β – параметры упругого защемления;
со стороны слоя, контактирующего с верхней гранью плиты, действует уп-
ругое сопротивление
где ρ2 - плотность покрывающей среды;
c2 – скорость звука в покрывающей среде;
k2 - коэффициент пропорциональности;
со стороны покрывающего слоя, кроме упругого, действует также вязкое
сопротивление, определяемое коэффициентом вязкости η
Х
Y Z
0
h
b
a
,0=+ Qu α
,0=+
∂
∂
M
y
u β
(1)
,2222 t
u
ckp
∂
∂= ρ (2)
154 Выпуск № 73
Внутреннее трение в самом материале плиты учитывается выражением
Без учета тепловых потерь классическое уравнение колебаний тонкой плиты
согласно [3] имеет вид
где р – сумма внешних сил, приложенная к единичной площади поверхно-
сти плиты;
D – цилиндрическая жесткость, определяемая из выражения
С учетом выражений (2) – (4) и (6) уравнение (5) приобретет вид
Наиболее простым случаем является ударное возбуждение плиты в ее цен-
тре. В этом случае решение уравнения (7) должно быть симметричным относи-
тельно сторон плиты. На контуре плиты оно должно удовлетворять граничным
условиям (1). Перечисленным выше требованиям удовлетворяет общее реше-
ние вида
где A1mn и A2mn - функции времени;
i, j, q – коэффициенты пропорциональности.
.2
*
2
*
2 t
u
kp
∂
∂= η
.111 t
u
kp
∂
∂= η
(3)
(4)
(5)
(6) .
)1(12 2
3
ν−
= Eh
D
0)(
)()(
2
2
12
*
22224
11
4
4
11
4
=
∂
∂+
∂
∂++
∂
∂
∂+∂
+
∂
∂
∂+∂
t
u
h
t
u
kck
x
t
u
ku
y
t
u
ku
ρηρ
ηη
(7)
,sin)sin)5,0(( 2
1
1
1
qxjyAbyichAu mn
n
mn
m
+−= ∑∑
∞
=
∞
=
(8)
,
2
2
1
22 p
t
u
huD =
∂
∂+∇∇ ρ
"Геотехническая механика" 155
Подстановка (8) в (7) приводит к системе уравнений, решение которых по-
зволяет в явном виде определить вид функций A1mn и A2mn:
Параметрические функции A1mn и A2mn определяют две независимые сово-
купности колебаний: вдоль и поперек оси выработки. Для первой совокупности
(вдоль выработки) значение основной частоты f1 не зависит от ширины выра-
ботки, но зависит от параметров α и β упругого защемления и находится в
пределах
Для второй совокупности колебаний (поперек выработки) основная частота
f2 определяется выражением
Выражения (10) и (11) свидетельствуют о том, что для обеих совокупностей
изгибных колебаний при фиксированных размерах плиты в плане основная час-
тота снижается с уменьшением толщины отлаивающейся породной пачки. Ука-
занная особенность определяет возможность использования спектрального
анализа пакета колебаний для первичного поиска зон расслоения потолочины, а
также для наблюдений за динамикой увеличения размеров указанных зон. В
принципе спектр частот, определяемый выражениями (10) и (11) является дис-
кретным, однако выделить отдельные близко расположенные резонансные час-
тоты при шахтных измерениях практически нереально. Поэтому в качестве
критериального параметра для регистрации зоны расслоения потолочины мо-
жет быть принята наблюдаемая частота максимума спектральной плотности
сигнала.
Величина показателя затухания δ для спектральных составляющих опреде-
ляется выражением
)sin( 22
0
22
2
mnmnmnmn teAA mn θωδ += −
)sin( 11
0
11
1
mnmnmnmn teAA mn θωδ += −
(9)
(10)
1
2
1
2
111
21
1
2
1
1
2 )1(3
)45(
4)1(34 ρν
ννπ
ρν
π
−
+−<<
−
E
a
h
f
E
a
h
.)(
4
1
)
11
(
4
1(
)1(3
)
11
(
4 2
*
2222
1
2
1444
1
11
4
1
2
1
1444
2 ηρ
ρρ
ηπ
ρν
π
kck
h
hE
abr
kE
abrh
f +−+−
−
+
= (11)
).(
1
),,,((
2
1
2
*
2222
2
1
ηρ
ρ
δ kck
h
nmbaFEh ++= (12)
156 Выпуск № 73
Формула (12) свидетельствует о том, что величина затухания определяется
двумя составляющими. Первое слагаемое в скобках определяет потери, связан-
ные с внутренним трением в материале самой плиты. Второе слагаемое связано
исключительно с демпфированием колебаний покрывающей вязко-упругой
средой. При воздушном промежутке между породными слоями второе слагае-
мое отсутствует.
Функция F(a,b,m,n) достаточно сложным образом зависит от величины вхо-
дящих в нее параметров. Общей закономерностью является очень быстрое уве-
личение показателя затухания с ростом номера гармоники. Поэтому положение
максимума спектральной плотности колебательного процесса будет опреде-
ляться преимущественно основными частотами в соответствии с (10) и (11).
Выражение (12) свидетельствует также о быстром возрастании затухания по
мере увеличения толщины плиты. Указанная зависимость является обосновани-
ем амплитудного критерия при вибродиагностике потолочины. Зоны расслое-
ния потолочины характеризуются значительным возрастанием усредненной
амплитуды сигнала в течение некоторого интервала времени, прошедшего по-
сле ударного возбуждения кровли.
Еще одной характеристикой колебательного процесса является его продол-
жительность. В общем случае время t, в течение которого амплитуда колебаний
уменьшается в n раз, определяется следующим образом:
где µ1 и µ2 – параметры, комплексно учитывающие физико-механические
свойства потолочины и покрывающего породного слоя соответственно.
Исходя из выражения (13), продолжительность колебательного процесса на
участках расслоения резко увеличивается.
Таким образом, первичное выделение зоны расслоения потолочины может
осуществляться по следующей схеме. Путем контрольного бурения выделяют
участок с заведомо цельной потолочиной. Толщина ненарушенного слоя долж-
на составлять не менее 3 м. При таких значениях реакция на удар будет уже
преимущественно определяться свойствами среды, а не параметрами конструк-
ции. Устанавливают приемник вибрации на базе 2-3 м от точки удара и после
возбуждения кровли регистрируют основные характеристики колебательного
процесса. Указанные характеристики принимают в качестве эталонных. В про-
цессе диагностики состояния потолочины определяют действительные значе-
ния параметров ее свободных колебаний и сравнивают с эталонными. Заведомо
дефектные участки отличаются по значению информативного параметра в два и
более раза сравнению с ненарушенным.
Запись сигналов вибрации потолочины на аналоговый носитель и их иссле-
дование в лабораторных условиях показали, что информативная область спек-
,
ln
22
1 h
h
n
t µµ +
= (13)
"Геотехническая механика" 157
тра сигнала находится в пределах 100 - 1500 Гц. Выбор технических средств
начинают с подбора первичного преобразователя вибрации, который имеет
приемлемую частотную характеристику в указанном диапазоне. Основные ти-
пы используемых первичных преобразователей – сейсмоприемники и пьезо-
приемники. Авторы являются последовательными сторонниками использова-
ния активных приемников вибрации на базе пьезокерамических элементов.
Встроенный в корпусе датчика предварительный малошумящий усилитель и
фильтр позволяет обеспечить высокую чувствительность приемника, скоррек-
тировать амплитудно-частотную характеристику в полосе пропускания анало-
говой части регистратора, эффективно подавить наводку от силовых сетей про-
мышленной частоты, а также оптимальным образом согласовать высокое вы-
ходное сопротивление пьезоэлемента с входным сопротивлением регистри-
рующего устройства.
Реальная чувствительность датчика ограничивается уровнем акустических
и электрических помех. Исследования показали, что для шахтных условий це-
лесообразно ограничиться выходным уровнем сигнала с первичного преобразо-
вателя на уровне 10 мкВ. Максимальный уровень сигнала составляет порядка
0,1 В. Указанные значения определяют динамический диапазон работы анало-
говых цепей устройства независимо от конечного регистрируемого параметра.
Воспроизведение сигнала от первичного преобразователя в лабораторных
условиях на экране запоминающего осциллографа показало, что в преобла-
дающем большинстве случаев уменьшение начальной амплитуды свободных
колебаний на порядок происходит в течение интервала времени, не превы-
шающего 0,3 с. Это значение можно считать ориентиром для средств контроля
за состоянием потолочины, где в качестве информативного параметра выступа-
ет длительность колебательного процесса [4].
Таким образом, на базе теоретического анализа процесса свободных колеба-
ний возбужденной ударом потолочины и экспериментальных данных опреде-
лены критерии для выявления зон расслоений. Указаны основные требования к
выбору диапазона измерения техническими средствами диагностики состояния
потолочины.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Яланский А.А. и др. Теоретические и аппаратурные разработки виброволнового контроля строительных
конструкций и материалов. /Яланский А.А., Паламарчук Т.А., Сергиенко В.Н., Усаченко В.Б. // Тезисы докла-
дов IV-ой международной научной конференции «Материалы для строительных конструкций». – Днепропет-
ровск, 1996. – С. 73.
2. Ямщиков В.С., Сидоров Е.Е., Бауков Ю.Н. Физические основы акустического метода определения де-
фектов связи упругих слоев с основанием // Физ. Техн. Пробл. Разраб. Полезн. Ископаемых.. – 1979. – № 3. – С.
110 – 118.
3. Гонткевич В.С. Собственные колебания пластинок и оболочек. Справочник. – К.: Наукова думка, 1964. –
287 с.
4. Сергиенко В.Н., Земба В.А., Крученюк В.Д. Индикатор «ДВШ-2К» для оперативной диагностики со-
стояния подземных и наземных сооружений // Материалы конф. «Проблемы гидромеханики в горном деле и
строительстве» – К.: Изд-во КПИ, 1996. – Ч. 1. – С. 93.
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-31443 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 1607-4556 |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-11-29T13:54:49Z |
| publishDate | 2007 |
| publisher | Інститут геотехнічної механіки імені М.С.Полякова НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Сергиенко, В.Н. Усаченко, В.Б. 2012-03-08T22:08:47Z 2012-03-08T22:08:47Z 2007 Теоретические и прикладные аспекты виброакустической диагностики расслоения потолочин большепролетных горных выработок / В.Н. Сергиенко, В.Б. Усаченко // Геотехническая механика: Межвед. сб. науч. тр. — Днепропетровск: ИГТМ НАНУ, 2007. — Вип. 73. — С. 151-157. — Бібліогр.: 4 назв. — рос. 1607-4556 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/31443 622.83 Розглянуто процес вільних коливань в тонкій плиті при її демпфіруванні. Обґрунтовано параметри та критерії віброакустичної діагностики стелин гірничих виробок великого прольоту. The process of free oscillations in a thin plate at a decrement is considered. The parameters and criterion of a vibrating-acoustic diagnosis of disintegration wide-span roofs of excavations are proved. ru Інститут геотехнічної механіки імені М.С.Полякова НАН України Геотехническая механика Теоретические и прикладные аспекты виброакустической диагностики расслоения потолочин большепролетных горных выработок Theoretical and application aspects of a vibrating-acoustic diagnosis of a disintegration wide-span roofs of a excavations Article published earlier |
| spellingShingle | Теоретические и прикладные аспекты виброакустической диагностики расслоения потолочин большепролетных горных выработок Сергиенко, В.Н. Усаченко, В.Б. |
| title | Теоретические и прикладные аспекты виброакустической диагностики расслоения потолочин большепролетных горных выработок |
| title_alt | Theoretical and application aspects of a vibrating-acoustic diagnosis of a disintegration wide-span roofs of a excavations |
| title_full | Теоретические и прикладные аспекты виброакустической диагностики расслоения потолочин большепролетных горных выработок |
| title_fullStr | Теоретические и прикладные аспекты виброакустической диагностики расслоения потолочин большепролетных горных выработок |
| title_full_unstemmed | Теоретические и прикладные аспекты виброакустической диагностики расслоения потолочин большепролетных горных выработок |
| title_short | Теоретические и прикладные аспекты виброакустической диагностики расслоения потолочин большепролетных горных выработок |
| title_sort | теоретические и прикладные аспекты виброакустической диагностики расслоения потолочин большепролетных горных выработок |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/31443 |
| work_keys_str_mv | AT sergienkovn teoretičeskieiprikladnyeaspektyvibroakustičeskoidiagnostikirassloeniâpotoločinbolʹšeproletnyhgornyhvyrabotok AT usačenkovb teoretičeskieiprikladnyeaspektyvibroakustičeskoidiagnostikirassloeniâpotoločinbolʹšeproletnyhgornyhvyrabotok AT sergienkovn theoreticalandapplicationaspectsofavibratingacousticdiagnosisofadisintegrationwidespanroofsofaexcavations AT usačenkovb theoreticalandapplicationaspectsofavibratingacousticdiagnosisofadisintegrationwidespanroofsofaexcavations |