АНАЛИТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ.

ОБЗОР И АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ И УРОВНЯ РАЗВИТИЯ Методов обнаружения очагов геодинамических явлений и снижения риска их проявлений.

Объектом исследования являются методы обнаружения очагов геодинамических явлений и снижения риска их проявлений. Технический уровень и тенденции развития исследуемого объекта.

Анализ и обобщение информации в соответствии с поставленной перед патентными исследованиями задачей – исследование технического уровня. В рамках данной НИР проводился поиск и исследование методов обнаружения очагов геодинамических явлений и снижения риска их проявлений.

В настоящее время широко используются методы изучения приповерхностных природных структур, основанные на дискретных измерениях механических параметров в отдельных пунктах (см. RU №№ 2408785, 2333359, 2299324, 2292456, 2276263, 2261328, 2194857, 2137919, 2106493, 2087713, 2078208, 2064579, 2055198, 2034147 WO № 0050735). Однако эти методы не позволяют получать целостную картину поведения сложно структурированной геологической среды. Блочная структура и наличие выраженных разно ориентированных движений индивидуальных и консолидированных блоков приводит к мозаичному, пространственно неоднородному распределению основных механических характеристик среды.

Для получения детального пространственного описания поведения геологической среды используют методы, основанные на регистрации и анализе микросейсмических колебаний местного происхождения, позволяющие охватывать исследуемый участок земной коры в целом с одновременной регистрацией информации, поступающей с каждого его структурного элемента (см. RU №№ 2410727, 2398964, 2279543, 2138638, 2042813, 2065962, JP №№ 9303071, 2000038889, CA № 2704107, PL № 178147).

Предлагаемый подход к определению механических характеристик и режимов деформирования участков геологической среды основан на регистрации и анализе микросейсмических колебаний (фоновых и импульсных, частотой 0.5-30 Гц) местного происхождения, что позволяет получать информацию о состоянии и свойствах среды не в отдельных точках, а практически в каждой точке исследуемого участка.

На основе детального анализа амплитудных и спектральных характеристик микроколебаний, включающих фоновую составляющую и импульсы релаксационного типа, определяется блочное строение среды, степень подвижности активных блоков, а также выделяются зоны аномального напряженно-деформированного состояния. Данные результаты позволяют проводить сравнительную характеристику исследуемых локальных участков земной коры.

В основе решения диагностических задач лежит, прежде всего, оптимальный выбор физического явления, дающего наиболее объективную информацию о параметре диагностирования. Важнейшей проблемой становится не фиксация дефекта как уже возникающего отклонения от нормируемого параметра, а исследование и регистрация физических и других эффектов, предшествующих времени перехода материала или изделия в «дефектное» состояние. Акустическая эмиссия, механоэмиссия, возникающее при деформациях диэлектриков и металлов электромагнитное излучение (см. RU № 1314774, CN №№ 201381879, 101526009) в диапазоне от радиоволнового до жесткого рентгеновского излучения, включая весь промежуточный диапазон видимого, инфракрасного (см. RU № 2135770) и ультрафиолетового излучений, демонстрируют далеко не использованные физические возможности создания нового уровня интеллектуальных средств неразрушающего контроля и т.д.

Интеллект диагностики начинается, прежде всего, с правильного выбора физического эквивалента, наиболее адекватного изучаемому явлению, характеризующему работоспособность объекта (см. RU №№ 2194969, 2188944, 2184232, 2177142, 2162149, 2046945, CN № 1309229, US № 5381690). На основе этого должна проектироваться диагностическая технология. Для решения этой проблемы используются датчики на базе микроэлектронной технологии, построенные на основе самых различных физических явлений (см. RU №№ 2421615, 2134783, 2071563, 2049231).

Широкая номенклатура преобразователей и сенсоров требует обоснованного выбора оптимального варианта использования их на практике, согласования с исследуемыми параметрами и функциями управления объектов контроля (см. CN № 101363824).

Интеллектуализация современных методов неразрушающего контроля связана с их интенсивной компьютеризацией, широким использованием встроенных персональных и мини-ЭВМ, разработкой большого ряда алгоритмов тестового и функционального диагностирования (см. RU №№ 240878, 2322657, 2254465, 2235877, 2204716, JP № 9235975).

Акустический неразрушающий контроль (НК) часто именуют ультразвуковым контролем, поскольку данный метод предполагает использование в качестве инструмента ультразвук. Ультразвуковые упругие волны, проходя через материал, дают сведения о плотности, упругости, однородности материала, наличие в нем дефектов, а также их характеристик. Акустический ультразвуковой контроль использует упругие волны в диапазоне от 20 кГц, которые фиксирует контрольно-измерительное оборудование. Ультразвуковые волны, в отличие от электромагнитных, дают более глубокие обширные сведения о характеристиках исследуемого объекта.

Наибольшее применение для обнаружения внутренних дефектов получили методы радиационного и акустического контроля. Радиационный контроль позволяет обнаруживать мелкие дефекты (отдельные поры диаметром 0,2-0,3 мм), однако этот метод не может полностью выявлять наиболее опасные дефекты – трещины. Кроме того, радиационный контроль не позволяет определять координаты дефектов. Радиационный контроль является дорогостоящим, так как предполагает применение в большом количестве радиографических пленок. Этих недостатков лишен акустический метод неразрушающего контроля, поэтому для обнаружения внутренних дефектов часто выбирают именно его.

Для акустического метода НК применяют колебания ультразвукового и звукового диапазонов частотой от 50 Гц до 50 МГц. Интенсивность колебаний обычно невелика, не превышает 1 кВт/м². Такие колебания происходят в области упругих деформаций среды, где напряжения и деформации связаны пропорциональной зависимостью (область линейной акустики).

Кроме упругости по объёму, в твёрдом теле существует упругость по форме, поэтому в теле могут распространяться волны двух типов: продольные и поперечные. Акустические волны в твёрдых телах характеризуются либо смещением, либо колебательными скоростями, либо тензорами деформации или напряжения.

Для контроля применяют разные типы (моды) волн, отличающиеся направлением колебаний частиц, скоростью распространения и другими признаками.

В объёме твёрдого тела, как уже было сказано выше, могут распространяться продольные и поперечные волны. В продольной волне колебательные скорости частиц среды совпадают с направлением распространения волны, в поперечной – перпендикулярны ему.

Известно много акустических методов неразрушающего контроля, некоторые применяются в нескольких вариантах. Их делят на две большие группы – активные и пассивные методы.

Активные методы основаны на излучении и приеме упругих волн (см. RU №№ 2192657, 2029085, 2029084, WO № 9838412). Активные методы делят на методы отражения, прохождения, комбинированные (использующие как отражение, так и прохождение), собственных колебаний и импедансные.

Методы отражения основаны на анализе отражения импульсов упругих волн от неоднородностей или границ объекта контроля, методы прохождения – на влиянии параметров объекта контроля на характеристики прошедших через него волн. Комбинированные методы используют влияние параметров объекта контроля как на отражение, так и на прохождение упругих волн. В методах собственных колебаний о свойствах объекта контроля судят по параметрам его свободных или вынужденных колебаний (их частотам и величине потерь). В импедансных методах информативным параметром служит механический импеданс объекта контроля в зоне его контакта с преобразователем.

Повышенный интерес вызывают дистанционные методы, в частности, пассивный акустический, позволяющие обнаружить зоны концентрации напряжений и оценить очаги дефектов структуры объекта в процессе их зарождения.

Пассивные акустические методы основаны на анализе упругих колебаний волн, возникающих в самом контролируемом объекте. Наиболее характерным пассивным методом является акустико-эмиссионный метод (см. RU №№ 2359125, 2339816, 2339815, 2215149, 2090905, UA №№ 32382, 30384, 28516). Явление акустической эмиссии состоит в том, что упругие волны излучаются самим материалом в результате внутренней динамической локальной перестройки его структуры. Такие явления, как возникновение и развитие трещин под влиянием внешней нагрузки, аллотропические превращения при нагреве или охлаждении, движение скоплений дислокаций, -- наиболее характерные источники акустической эмиссии.

Анализ показал, что акустико-эмиссионные (АЭ) методы в звуковом диапазоне частот обладают существенными преимуществами, к числу которых относятся высокие дистанционность и чувствительность к развивающимся дефектам. Связь параметров сигналов с динамикой дефектов позволяет регистрировать время, место возникновения и энергию источников, непрерывно контролировать процессы разрушения структуры и состояние объектов, определяющих их прочность и надежность. Реализация преимуществ акустических методов в практике контроля позволила бы достичь существенного технико-экономического эффекта за счет своевременного проведения мероприятий по разгрузке опасных зон, что и обусловило широкое развитие исследований в стране и за рубежом.

Однако уже начальные результаты выявили серьезные недостатки АЭ метода, связанные с низкой помехозащищенностью, сложностью структуры полезного сигнала, трудностью интерпретации данных, что снижает достоверность контроля. Кроме этого, отсутствуют методические основы обеспечения правильности пассивных акустических измерений и, на их основе интерпретации результатов и оценки состояния объекта контроля по параметрам акустических сигналов.

Одним из перспективных методов диагностики и контроля разрушения горных пород и массивов рассматривается метод, основанный на регистрации сигналов сопутствующего электромагнитного излучения (ЭМИ) (см. RU №№ 2343282, 2338065, 2319010, 2289693, 2244126, 2229597, 2190203, 2173778, 2172005, 2137920, 2116443, 2097558, 208462, CN №№ 101165315, 1497267). Развитие его, как прогнозного метода, касающегося динамических проявлений горного давления в массивах, требует, прежде всего, разработки новых методов и измерительных средств: создания необходимой феноменологической и приборно-измерительной базы для лабораторных и натурных экспериментов, геомеханической интерпретации контролируемой информации.

Изучение механизмов и закономерностей деформирования и разрушения горных пород при различных режимах механического и термического нагружения является одной из приоритетных задач экспериментальной геомеханики. Основным направлением решения данной задачи были и остаются испытания на образцах, сопровождаемые комплексом деформационных, акустических, электрических и других видов измерений (см. RU №№ 2380539, 2359125, 2160365, 2083826, 2082004, 2024749, 2034146, 2006817, CN № 1818337, NO № 20010094). В последние годы предпринимаются активные попытки моделирования деформирования и разрушения массива горных работ (см. RU № 2390632, UA № 78846), разработаны устройство для определения характеристик образцов горных пород в условиях, моделирующих пластовые (см. RU №№ 2343281, 2284413, JP № 4094770), устройство для моделирования процесса деформирования грунта вокруг расширяющейся под давлением скважины (см. RU № 2273891). При этом моделирование процесса зарекомендовало себя как эффективный инструмент исследований в области физики прочности и пластичности геоматериалов.

Для определения физико-механических характеристик горных пород разработаны различные устройства для полевых испытаний горных пород (см. RU №№ 2417317, 2054119, 2052107, 2024748, 2024747, 2015328, 2011820, FR № 2716233).

В практике решения проблем охраны природных и техногенных объектов от вредного влияния подземных выработок, контроля за несущей способностью налегающих и подстилающих грунтов и их изменением в процессе горного и инженерного производства целесообразно использование дистанционных (см. RU №№ 2303131, 2076208) и контактных (см. RU №№ 2320870, 2314417, 2311534, 2301332, 2224889, 2206740, UA № 30650) геофизических методов исследования горных пород и массивов. Особую роль играют эти методы при оконтуривании подработок в горнорудных районах и оценке возможности вовлечения конкретных горных массивов в хозяйственную деятельность человека.

Рассматривая весь известный набор основных геофизических параметров, отражающих геомеханические явления массивов горных, некоторыми заявителями отдается предпочтение электрическим параметрам (см. RU №№ 2398112, 2248446, 2242609, 2239064, 2175060, 2127366, 2081315, 2023157, 2021507, 2021506 EP № 1114336, CN № 1123862). Электрический ток в своем движении через горный массив выбирает наиболее удобный и короткий путь, используя природные или техногенные электропроводные элементы, в качестве которых чаще всего выступает природная или техногенная пустотность и трещиноватость горного массива.

Естественными носителями проводимости в трещинах и пустотах являются заполняющие их минерализованные воды, электрическое сопротивление которых в 100-10000 раз меньше электросопротивления вещества горных пород. Развитие пустотности и трещиноватости определяет геомеханическое состояние конкретных горных массивов. Следовательно электрические параметры, отражают состояние горных массивов по пустотности и трещиноватости, а также автоматически отражают и характер развития геомеханических явлений.

Равномерное развитие пустотности и трещиноватости горных пород и массивов, не приводящее к образованию их замкнутой системы, сохраняет массив в устойчивом состоянии, но при приближении процесса развития трещиноватости к моменту образования связанной системы трещин, горный массив приходит в потенциально опасное состояние, при котором любые нагрузки, энергия которых превышает энергию необходимую для его дезинтеграции, могут привести к его разрушению. Это явление, свойственное геоэлектрическим и геомеханическим параметрам, характеризует дискретность горных пород, а свойство параметров, способных отразить его в своих полях, характеризует их структурную чувствительность.

Динамическое явление в подземных выработках – внезапно возникающее и протекающее с высокой скоростью движение горных пород, газов или жидкостей вблизи выработок, сопровождающееся сильным динамическим эффектом. Динамическое явление – результат проявления горного давления и давления заключённых в породах газов и жидкостей. К динамическому явлению относятся горные удары, внезапные выбросы угля, горной породы и газа, внезапные прорывы газа, воды, плывунов, внезапные обрушения, высыпания и отжим, стреляние горных пород. С увеличением глубины ведения горных работ интенсивность и число динамических явлений возрастают (см. CN №№ 101519963, 1097839, UA № 32104, US № 2004211252, CA № 2438134, АU № 4539897).

В связи с этим динамические явления стали серьёзной проблемой горнодобывающей промышленности. О вероятности горного удара судят по снижению концентрации радона в ближней от удароопасной зоны точке измерения и увеличению концентрации радона в дальней точке измерения (см. RU № 2094831).

Разработаны различные способы определения зон, потенциально опасных по обрушениям (см. RU №№ 2155866, 2153071, 2010953, 2418165, 2030591, JP № 2008111289, US № 7066019), а также устройства для измерения деформаций горных пород стенок скважин (см. RU №№ 2379511, 2377406, 2376470, 2375574, 2371578, 2364721, 2191899, 2103504), определения смещения горных пород в забоях и выработках (см. RU №№ 2379510, 2270337, 2236587, 10496), деформографы для измерения деформаций земной поверхности (см. RU №№ 2305186, 2298814).

Наиболее актуальными задачами изобретений являются:

- повышение эффективности измерений (см. RU №№ 2410727, 2343282, 2248446, 2194969, 2155866, 2135770, 2094831, 2408785, 2398964, 2338065, 2188944, 2153071, 1314774, 2010953, 2333359, 2319010, 2239064, 2184232, 2339816, 2006817, 2289693, 2175060, 2244126, 2134783, 2162149, 2279543, 2229597, 2191411, 2081315, 2261327, 2271555, 2023157, 2276263, 2268364, 2172005, 2021507, 2261328, 2137920, 2021506, 2138638, 2019698, 2254465, 2090905, 2042813, 2084627, 2046376, 2228999, 2215149, 2204716, 2194857, 2192657, 2184848, 2137919, 2064579, 2053362, 2034147, 2029085, 2029084, 2421615, 2398112, 2380539, 2379511, 2377406, 2376470, 2376469, 2375574, 2364721, 2314417, 2311534, 2305186, 2298814, 2293964, 2284413, 2275594, 2273891, 2236587, 2230904, 2224889, 2223400, 2206740, 2148170, 2049231, 2016195, 2013544, 2239023, 2193658, 75426, 52188, 49576, JP №№ 2008111289, 9303071, 3236108, CN №№ 101165315, 201381879, 101526009, DE № 4132749);

- расширение области применения (см. RU №№ 2390632, 2359125, 2160365, 2322657, 2289693, 2177142, 2292456, 2190203, 2186972, 2194857, 2184848, 2398112, 2379511, 2379510, 2377406, 2343281, 2320870, 2305186, 2275594, 2270337, 2224889, 2024749, 2083826, 2082004, 2076208, 2054119, 2052107, 2049231, 2034146, 2024748, 2024747, 2015328, 2011820, 89609, 2239023, CN №№ 101165315, 1818337, 1497267, US №№ 7066019, 4962668, CA № 2704107, JP № 2980240);

- снижение трудоемкости (см. RU №№ 2135770, 2408785, 2010953, 2333359, 2319010, 2239064, 2006817, 2127366, 2046945, 2292456, 2042813, 2065962, 2204716, 2064579, 2029084, 2379510, 2376469, 2375574, 2371578, 2364721, 2343281, 2314417, 2311534, 2293964, 2284413, 2191899, 1351261, 2193658, 97765, 52188, CN №№ 201381879, 101526009, JP № 3380795);

- повышение надежности и безопасности (см. RU №№ 2242609, 2310750, 2339815, 2299324, 2173778, 2276263, 2138638, 2228999, 2065962, 2418165, 2379510, 2371578, 2364721, 2320870, 2314417, 2311534, 2303131, 2301332, 2270337, 2206740, 2191899, 2148170, 2103504, 2013544, 1351261, UA № 78846, JP № 3380795, CN № 2869321).

На отечественном рынке в области обнаружения очагов геодинамических явлений и снижения риска их проявлений наиболее активными заявителями являются различные ВУЗы:

- Институт горного дела Севера им. Н.В. Черского Сибирского отделения Российской академии наук (патенты RU №№ 2379510, 2371578, 2364721, 2343282, 2338065, 2320870, 2319010, 2310750, 2305186, 2303131, 2299324, 2292456, 2289693, 2248446, 2244126, 2229597, 2199663, 2190203, 2188944, 2177142, 2172005, 2162149, 2137920, 2097558, 2085736, 2084627, 2081315, 2078208, 75426) и Новосибирский государственный технический университет (патенты RU №№ 2289693, 2229597);

- Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Кузбасский государственный технический университет» (ГУ КузГТУ) (патенты RU №№ 2421615, 2194969, 2175060, 2134783, 2116443, 52188, 49576);

- Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный горный институт имени Г.В. Плеханова (технический университет)» (патенты RU №№ 2418165, 2417317, 2380539, 2379511, 2377406, 2376470, 2375574);

- Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московский государственный горный университет» (МГГУ) (патенты RU №№ 2359125, 2339816, 2339815, 2103504);

- Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Сибирский государственный индустриальный университет» (патенты RU №№ 2314417, 2311534, 2301332, 2148170, 97765);

- Открытое акционерное общество «Уральский научно-исследовательский и проектный институт галургии» (ОАО «Галургия») (патенты RU №№ 2408785, 2254465, 2204716);

- Государственный научно-исследовательский институт горной геомеханики и маркшейдерского дела – Межотраслевой научный центр (ВНИМИ) (патенты RU №№ 2193658, 2191899, 2191899, 2083826, 2064579, 2055198, 1351261);

- Вычислительный центр Дальневосточного отделения РАН (патенты RU №№ 2192657, 2191411, 2090905);

- Институт геофизики Уральского отделения РАН (патенты RU №№ 2173778, 2094831, 2018662);

- Гомельский государственный университет им.Франциска Скорины (патенты RU №№ 2138638, 2137919);

- Государственный научно-исследовательский, проектный и конструкторский институт горного дела и металлургии цветных металлов (патенты RU №№ 2087713, 2006817);

- Уральский горный институт им.В.В.Вахрушева (патенты RU №№ 2046945, 2013544).

Среди юридических лиц можно выделить:

- Общество с ограниченной ответственностью «Гло-Бел Нефтесервис» (патенты RU №№ 2284413, 2223400);

- Акционерная Компания «АЛРОСА» (Закрытое акционерное общество) (патенты RU №№ 2254465, 2224889);

- АО Корпорация «Казахмыс» (патенты RU №№ 2155866, 2153071).

Среди авторов-изобретателей безусловным лидером является Лодус Евгений Васильевич (патенты RU №№ 2054119, 2052107, 2024749, 2024748, 2024747, 2015328, 2011820), также можно отметить следующих заявителей:

- Козел Константин Климентьевич (патенты RU №№ 2021507, 2021506, 2019698);

- Трубецкой Климент Николаевич, Иофис Моисей Абрамович и Поставнин Борис Николаевич (патенты RU №№ 2235877, 2194857);

- Ануфриев Виктор Евгеньевич (патенты RU №№ 2206740, 89609);

- Лядский Владимир Львович (патенты RU №№ 2049231, 2016195);

- Белявский Юрий Георгиевич (патенты RU №№ 2029085, 2029084).

Проанализировав объем патентной документации, можно сделать вывод, что ведущими странами в сфере методов обнаружения очагов геодинамических явлений и снижения риска их проявлений являются США и Украина, а также страны Азии – Япония и Китай.

Самыми активными заявителями на зарубежном рынке являются юридические лица:

- STATE ENTPR SCIENT TECHNICAL C (патенты UA №№ 32382, 30384, 30650);

- SHIMIZU CONSTRUCTION CO LTD (заявки JP №№ 9303071, 7208060);

- NISHIMATSU CONSTR CO LTD (патенты JP №№ 3380795, 2980240);

- UNIV SYDNEY из Австралии (заявки CA № 2704107 и CN № 101519963).

Следует отметить, что в исследуемом направлении активно работают авторы из Польши. Однако наличие только библиографических данных и отсутствие реферативной информации в базе данных ЕПВ, не позволило провести их анализ и включть их в число рассматриваемых объектов.

Проведенные патентные исследования соответствуют заданию на их проведение: исследование технического уровня, информационный патентный поиск.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

Патентные исследования проведены согласно ГОСТ Р 15.011-96 в соответствии с Заданием № 1 от 23.05.11 г. и в объеме Регламента поиска № 1 от 24.05.11 г.

Поиск информации осуществлен по направлениям, обеспечивающим выбор наиболее оптимальных способов и устройств прогноза геодинамических явлений.

В результате поиска отобраны наиболее эффективные технические решения, содержащие сведения о последних научно-технических достижениях в этой области.

Всего отобрано 193 источника патентной информации.

Цель поиска информации – определение технического уровня, исследование способов и устройств прогноза геодинамических явлений для обоснования и выбора перспективных направлений НИОКР – выполнена.

Целесообразно в дальнейшем осуществлять поиск информации с периодичностью в 3-5 лет для совершенствования существующих и создания новых способов и устройств прогноза геодинамических явлений.

Руководитель НИР, д. т. н. В.В. Макаров

Руководитель работ, начальник ОИС ДВФУ М.И.Звонарев

ПРИЛОЖЕНИЕ А

ЗАДАНИЕ № 1

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: