П’єзоелектричний геофон

Изобретение относится к горному делу, в частности к измерению акустической эмиссии, возникающей от внутренних разрушений горного массива, и может быть использовано при открытой и подземной добыче полезного ископаемого, а также на предприятиях, на которых в результате их производственной деятельности образуются отвалы, состоящие из скальных смешанных пород. Колебания в горном массиве возможны от внешних воздействий, например, ударов, взрывов, землетрясений и т.п., либо от внутренних разрушений горного массива и трений отдельных его частиц (кусков). Первые колебания а технике принято называть механическими или сейсмическими, а вторые -акустической эмиссией. Мощность сейсмических колебаний в тысячи раз больше мощности акустических волн, следовательно, и приборы для их измерений разные по конструкции и принципу действия. Для измерения сигналов акустической эмиссии используются геофоны. Их отличительной особенностью является наличие усилителя электрических импульсов, при этом коэффициент усиления достигает 600000-700000. Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявляемому является пьезоэлектрический геофон, содержащий герметизированный цилиндрический корпус, в котором размещены пьезоэлемент, его держатель Г-образной формы, консольно соединенный с цилиндрическим основанием корпуса, усилитель низкой частоты, входы которого соединены с токосъемниками пьезоэлемента, а выход -с кабелем, проходящим через герметизирующие уплотнители. В цилиндрический корпус введены шарикоподшипник с осью, размещенный в его основании, и скользящий контакт, токопроводящее кольцо которого установлено на цилиндрическом основании корпуса и соединено с входом усилителя, а контактный лепесток установлен на держателе и соединен с пьезоэлементом. На длинной стороне держателя установлен пьезоэлемент, а короткая его сторона закреплена на оси подшипника таким образом, что центр тяжести держателя с пьезоэлементом смещен относительно оси подшипника с возможностью свободного вращения на ней. Недостатком этого геофона является низкая точность оценки устойчивости контролируемой толщи массива из-за невозможности получения достаточно достоверных представлений об интенсивности протекающих процессов в горном массиве на больших расстояниях от геофона, особенно в трещиноватых и сыпучих средах. Объясняется это тем, что область приема сигналов акустической эмиссии зависит от состояния и свойств горного массива. В связи с этим в трещиноватых и сыпучих средах сигналы акустической эмиссии на больших расстояниях от геофона принять невозможно. Незначительная площадь контакта этого пьезоэлектрического геофона с массивом обуславливает прием сигналов акустической эмиссии в области, которая значительно меньше мощности контролируемой толщи его и составляет, исходя из естественных свойств массива 2025 м для монолитных пород, 2-3 м для сильно трещиноватых пород и 0,5-1,0 м для сыпучих пород. Обусловлено это тем, что сигналы акустической эмиссии при отсутствии специальных проводников затухают в массиве, что снижает точность оценки устойчивости контролируемой толщи. Задачей изобретения является разработка конструкции пьезоэлектрического геофона, в котором путем увеличения объема регистрируемых сигналов акустической эмиссии за счет расширения области их приема, позволяющего обеспечить возможность получения более достоверного представления об интенсивности протекающих процессов в горном массиве, достигается повышение точности оценки устойчивости контролируемой толщи массива и за счет этого повышение производительности труда горнорабочих и уменьшение потерь полезного ископаемого. Поставленная задача решается тем, что в пьезоэлектрическом геофоне, включающем пьезоэлемент, размещенный в герметизированном корпусе, и усилитель низкой частоты, входы которого соединены с токосъемниками пьезоэлемента, согласно изобретению, геофон снабжен, по крайней мере, одним волноводом, конец которого закреплен на герметизированном корпусе, при этом волновод выполнен длиной не менее контролируемой толщи массива. Волновод выполнен в виде спирали. Конец волновода выполнен в виде спирали, размещенной на герметизированном корпусе. Волновод выполнен в виде петель. Благодаря совокупности существенных признаков заявляемого устройства стало возможным принимать сигналы акустической эмиссии в большом объеме сильно трещиноватого горного массива и сыпучего материала. Область приема сигналов значительно увеличивается и определяется длиной волновода. Обусловлено это тем, что сигналы акустической эмиссии, образующиеся в процессе деформирования сильно трещиноватого и сыпучего массива, воспринимаются волноводом по всей длине его контакта с массивом. Увеличение области приема сигналов позволяет повысить достоверность прогноза устойчивости сыпучих и скальных массивов, вследствие чего возникает возможность увеличения высоты уступов на карьерах и отвалах, а также камерных запасов на подземных горных работах. Это повышает производительность труда горнорабочих и уменьшает потери полезного ископаемого в недрах. Сущность изобретения поясняется чертежами, где: на фиг. 1 показано продольное сечение пьезоэлектрического геофона с закреплением волновода на цилиндрической поверхности его корпуса; на фиг. 2 - поперечное сечение корпуса пьезоэлектрического геофона с закреплением волновода на цилиндрической поверхности его; на фиг. 3 - вариант закрепления волновода на цилиндрической поверхности корпуса с помощью магнита; на фиг. 4 - вариант закрепления волновода на цилиндрической поверхности корпуса с помощью пружин; на фиг. 5 - вариант закрепления волновода непосредственно к торцевой поверхности корпуса с помощью резьбового соединения; на фиг. 6- вариант поперечного сечения волновода, оснащенного стаканом для установки геофона; на фиг. 7 -волновод, один конец которого выполнен в виде спирали, размещенной на корпусе; на фиг. 8 - вариант прикрепления волновода к боковой поверхности корпуса посредством седла; на фиг. 9 - волновод спиральной формы из прута; на фиг. 10 волновод из троса в виде петель в вертикальной плоскости; на фиг. 11 - продольное сечение пьезоэлектрического геофона с закреплением двух волноводов на цилиндрической поверхности корпуса. Пьезоэлектрический геофон состоит из полого корпуса 1, держателя 2 с пьезоэлементом 3, двужильного кабеля 4 и волновода 5. Корпус 1 выполнен в виде полого цилиндра или в виде пустотелых треугольников, квадратов, шестигранников и других форм. С одного конца корпуса 1 закреплена герметизирующая втулка 6. Во втулке 6 на резьбе установлена зажимная гайка 7. Во втулке 6 и зажимной гайке 7 имеется центральное отверстие для кабеля 4. В гнезде втулки 6 помещена уплотнительная шайба 8 для герметизации кабеля 4. Держатель 2 прикреплен к корпусу 1 посредством перемычки 9. В перемычке 9 выполнено отверстие, в котором запрессована диэлектрическая втулка 10 с отрезком провода 11. На держателе 2 с помощью диэлектрических прокладок 12 закреплен пьезоэлемент 3, токосъемники которого соединены с корпусом держателя 2 и через отрезок провода 11с "общим плюсом" электрической схемы усилителя низкой частоты (на чертеже не показан). Волновод служит для генерирования, аккумулирования и передачи сигналов акустической эмиссии, возникающих в горном массиве и на контакте волновод-массив, на пьезодатчик. Волноводы 5 могут быть выполнены из любых металлических изделий -прута и стержней различной формы поперечного сечения, троса, рельсов, труб или железобетонных изделий. Волноводами могут быть обсадные трубы при бурении в сильно трещиноватых и насыпных массивах. При выполнении волновода из прута им может придаваться спиральная форма (фиг.9), а волноводы из троса могут укладываться одиночными или групповыми петлями (фиг.10) различного диаметра в горизонтальной или вертикальной плоскостях. Волноводы 5 могут быть цельными или составными. Составные волноводы могут быть телескопическими или шарнирными. Волноводов 5 может быть два (фиг.11) и более. Длина каждого из волноводов должна быть равна или больше мощности контролируемой толщины массива. Заявляемый геофон используют следующим образом. Для оценки устойчивости отвалов скальных и смешанных пород в процессе их строительства и эксплуатации внутри в горизонтальных и вертикальных плоскостях закладывают волноводы 5, концы которых выводят на поверхность. Минимальная длина волноводов 5 равна или больше мощности контролируемой толщи массива. К выведенным на поверхность концам волноводов 5 прикрепляют корпус 1 геофона. Оператор надевает головные телефоны (на чертежах не показаны), присоединенные к усилителю низких частот, и включает электропитание. Выходы усилителя подключены к регистрирующему прибору (на чертеже не показан). Сигналы акустической эмиссии, возникающие в массиве в виде упругих колебаний, принимаются волноводом 5, передаются на корпус 1 и пьезоэлемент 3. В сыпучих породах волновод 5 не только передает акустические сигналы корпусу 1, но и сам является их генератором. Под воздействием колебаний на обкладках пьезоэлемента 3 возникает электрический потенциал, который поступает на вход усилителя низких частот, где он усиливается до необходимого значения для регистрации через головные телефоны или для записи регистрирующей аппаратурой. Об устойчивости исследуемого участка горного массива отвала оператор судит по регистрируемой частоте появления импульсов акустической эмиссии в контролируемой толще массива за промежуток времени, например, за 5 минут. "Прослушав" массив на данном участке, оператор выключает источник питания пьезоэлектрического геофона и открепляет корпус 1 от волновода 5. Измерение устойчивости горного массива в подземных условиях производят аналогичным способом. Преимущества пьезоэлектрического геофона заключаются в том, что. волновод, которым снабжен геофон, воспринимает сигналы акустической эмиссии в большой области горного массива за счет увеличения площади контакта волновода с корпусом и массивом, а это способствует повышение точности и объема регистрируемых сигналов акустической эмиссии. Использование одного и более волноводов значительно увеличивает зону "прослушивания". Это позволяет более достоверно оценивать интенсивность протекающих процессов, а, следовательно, и более точно оценивать устойчивость контролируемой толщи массива. Повышение достоверности измерения интенсивности акустической эмиссии позволяет увеличить высоту уступов и объема камерного запаса, повысить производительность труда и снизить потери руды.