Институт горного дела СО РАН ДИАГНОСТИКА НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ

Институт горного дела СО РАН ДИАГНОСТИКА НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ МАССИВА ГОРНЫХ ПОРОД ПО РЕГИСТРАЦИИ И ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ СОПУТСТВУЮЩЕГО ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ Бизяев Алексей Анатольевич Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук Специальность: 25. 00. 20 - «Геомеханика, разрушение горных пород, рудничная аэрогазодинамика и горная теплофизика» Научный руководитель: д. т. н. , в. н. с. Яковицкая Галина Евгеньевна Новосибирск, 2015

Цель работы 1. Разработка метода обнаружения смены стадий разрушения горных пород по сопутствующему электромагнитному излучению; 2. Разработка программно-аппаратного комплекса для натурных исследований состояния массива горных пород на основе регистрации и обработки сигналов электромагнитного излучения; 3. Экспериментальное исследование зависимости характеристик электромагнитного излучения горных пород от величины нагрузки на образец и степени его деформированности. 2

Задачи исследований 1. 2. 3. 4. 5. Разработка алгоритмов оценивания энергетических параметров сигнала в системах с малым числом уровней квантования; Разработка алгоритма обнаружения смены стадий разрушения горных пород на основе обнаружения изменения интенсивности регистрируемых потоков импульсов электромагнитного излучения; Разработка деформационного канала в составе автоматизированного лабораторного стенда АСИ-2 и создание измерительного комплекса по синхронной регистрации сигналов электромагнитного излучения, нагрузки и деформации; Создание программно-аппаратного измерительного комплекса РЭМИ -3 для проведения исследований нагруженности горного массива в натурных условиях на основе регистрации сигналов ЭМИ; Апробация модернизированного лабораторного стенда АСИ-2 и программно-аппаратного комплекса РЭМИ-3 в лабораторных и натурных условиях. 3

Идея работы 4

Научные положения, выносимые на защиту 1. Алгоритмы оценки сигналов в аналого-цифровых системах с малым числом уровней квантования и обнаружения изменения свойств нестационарного пуассоновского потока неизвестной интенсивности, обладающих устойчивостью характеристик к изменению параметров сигнала и шума; 2. Метод обнаружения смены стадий разрушения нагруженных горных пород по сопутствующему электромагнитному излучению; 3. Измерительный комплекс по синхронной регистрации сигналов электромагнитного излучения, нагрузки и деформации; 4. Программно-аппаратный комплекс для натурных исследований состояния массива горных пород на основе регистрации и обработки сигналов электромагнитного излучения. 5

Алгоритм оценивания энергетического параметра сигнала в системе с двумя уровнями квантования S(t) η(t, μ, σ) Компаратор Счетчик УООС ОУ Одноразрядный АЦП Устройство оценки Рис. 1. 1 Структурная схема оценивания сигнала с одноразрядным АЦП. Наблюдаемый процесс: где: Оценка сигнала по методу максимального правдоподобия: 6

Погрешность измерения сигнала в системе с двумя уровнями квантования Оценка погрешности косвенных измерений: Рис 1. 3 Зависимости относительной погрешности оценки сигнала от отношения сигнал/шум. 1 – аналитическая зависимость; 2 – экспериментальная оценка. 7

Оценивание сигнала в системе с тремя уровнями квантования S(t) η(t, μ, σ) Пороговое устройство Счетчик УООС ОУ Устройство оценки Рис. 2. 1 Структурная схема оценивания сигнала. Входной сигнал: Вектор состояний системы: Оценка сигнала по методу моментов: 8

Погрешность измерения сигнала в системе с тремя уровнями квантования Погрешностей оценки сигнала: Рис. 2. 3 Зависимости относительной погрешности оценки сигнала от отношения сигнал/шум на входе АЦП; 1 – аналитическая зависимость; 2 – экспериментальная оценка. 9

Алгоритм обнаружения изменения свойств нестационарного пуассоновского потока неизвестной интенсивности i=1 i=2 i=3 i=4 i=5 i=n ∆T ∆T ∆T время T Рис. 3. 1 К формулировке задачи обнаружения изменения пуассоновского потока. где: Задача обнаружения изменения пуассоновского потока сведена к проверке статистических гипотез: 10

Алгоритм обнаружения изменения свойств нестационарного пуассоновского потока неизвестной интенсивности Преобразовав: Распределение характеризуется параметрами: Критерий обнаружения изменения потока сведена к проверке статистических гипотез: 11

Алгоритм обнаружения изменения свойств нестационарного пуассоновского потока неизвестной интенсивности Критерий превышения порога можно переписать в виде: 12

Алгоритм обнаружения изменения свойств нестационарного пуассоновского потока неизвестной интенсивности а б Рис. 3. 2 Зависимость вероятности правильного обнаружения β от отношения сигнал/шум q при вероятности ложной тревоги: α=0. 01 (а) и α=0. 001 (б) и при различных значения интенсивности шума 13

Методика обнаружения смены стадий разрушения горных пород U, м. В t, мс Рис. 3. 3 Вид осциллограммы сигнала ЭМИ 14

Деформационный канала стенда АСИ-2 P Образец ГП ЭМИ Нагрузка Деформация АСИ-2 а б в Рис. 4. 1 Деформационный канал автоматизированной системы сбора АСИ-2; а - Общий вид деформационного канала системы АСИ-2; б - Структурная схема системы регистрации сигналов ЭМИ, нагрузки и деформации; в - Общий вид стенда по регистрации сигналов ЭМИ, нагрузки и деформации. 15

Сравнительные характеристики методов измерения деформации Тензометрический мост Технологичность • Не технологичный способ наклеивания тензодатчиков Погрешность • Погрешность измерения зависит от: • внутренних шумов усилителя; • равномерности деформации горной породы; • линейности характеристики тензометрического моста; • дрейфа нуля источника питания; • разброса номиналов тензометрических датчиков Повторяемость • Проводимые эксперименты не повторяемые из -за разрушения метрологической части • Нельзя использовать цикличное нагружениеразгружение образца горной порода из-за гистерезиса тензометрического моста Измерение перемещения на основе оптического датчика перемещения Технологичность • Операция установки датчика перемещения в оснастку является технологичной; Погрешность • Погрешность измерения определяется растровой линейкой, угла установки датчика в стенд; Повторяемость • Проводимый эксперимент полностью повторяемый; • Разрушение метрологической части во время проведения эксперимента нет. 16

Структурная схема и характеристики деформационного канала «А» Датчик «B» «-» Схема сдвига Шифратор «+» Реверсивный счетчик (16 бит) Схема сдвига ЦАП ФНЧ (500 к. Гц) Аналоговый выход Микроконтроллер Рис. 4. 2 Структурная схема деформационного канала АСИ-2. Технические характеристики деформационного канала системы АСИ-2: • Количество подключаемых датчиков ……………………… • Логические уровни интерфейса датчиков …………………… • Максимальная скорость перемещения рабочей части датчика. . . • Разрядность счетчика приращений………………………. • Число аналоговых каналов…………………………. …. . • Разрядность цифро-аналоговых преобразователей……………. . . …. • Динамический диапазон цифро-аналогового преобразователя ………………… • Коэффициенты преобразования …………………………. . • Управление коэффициентами преобразования по каналам ……………. • Хранение коэффициентов преобразования …………………… • Тип интерфейса …………………………………. • Скорость обмена по последовательному интерфейсу ……………. . . • Напряжение питания ……………………………… • Потребляемая мощность (без датчиков) …………………… • Рабочий диапазон температур ………………………… 2 ТТЛ 1 мкм/мкс 16 2 12 0. . 5 В 8; 4; 2; 1; 0. 5; 0. 25; 0. 125 независимое энергонезависимое RS-232 115200 бод 7. . 12 В 3 Вт -40. . 50°С 17

Программно-аппаратный комплекс РЭМИ-3 Антенна Усилитель АЦП Память Интерфейс USB Индикатор Клавиатура Микроконтроллер а Блок питания б в Рис. 5. 1 Программно-аппаратный комплекс РЭМИ-3; а – структурная схема автономного регистратора РЭМИ-3; б – внешний вид автоматизированного регистратора электромагнитного излучения РЭМИ-3; в – вид главного окна программного обеспечения хранения, считывания и визуализации данных. Для измерения, оценивания и хранения данных используется средневыпрямленное значение напряжения: T – интервал усреднения 18

Технические характеристики программно-аппаратного комплекса РЭМИ-3 Технические характеристики автоматизированного регистратора ЭМИ РЭМИ-3: Чувствительность антенны, при отношении сигнал/шум 40 д. Б 6 м. В/м Выходное напряжение антенны, соответствующее напряженности электрического поля 6 м. В/м 10 мк. В Рабочий диапазон частот антенны 10 Гц ÷ 70 к. Гц Нелинейность частотной характеристики на частоте 1 к. Гц ≤ 1 д. Б Разрядность АЦП 10 Интервал усреднения показаний на индикаторе 1 с Частота дискретизации регистратора 200 Гц Объем энергонезависимой памяти 8 Мб Тип компьютерного интерфейса USB Время непрерывной регистрации 5, 8 час Рабочий температурный диапазон -5…+30 ° С Масса с элементами питания (аккумуляторы) 300 г 19

Результаты апробации программно-аппаратного комплекса РЭМИ-3 в натурных условиях Таштагольского рудника Рис. 5 Участки осциллограмм сигналов ЭМИ, зарегистрированные в ортах а – обводненном; б, в, г – при различных ориентациях антенны (соответственно вертикальном и горизонтальном, соосно с выработкой), 20

Награды и акты испытаний 21

Выводы 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. Разработан алгоритм оценки сигнала, постоянного на интервале наблюдения, в системе с двумя и тремя уровнями квантования, наблюдаемого на фоне гауссовского широкополосного шума, определены границы их применения; Алгоритм оценивания сигнала в системе с тремя уровнями квантования не требует дополнительного оценивания параметров шума; Алгоритм обнаружения сигнальной составляющей в нестационарном пуассоновском потоке импульсов неизвестной интенсивности обеспечивает гарантированный уровень вероятности ложной тревоги при любых фактических значениях интенсивности потоков импульсов в выделенных временных интервалах содержащей сигнальную составляющую. Разработан деформационный канал в составе автоматизированного лабораторного стенда АСИ-2 и создана аппаратура по синхронной регистрации электромагнитного излучения, нагрузки и деформации; Разработан автоматизированный регистратор электромагнитного излучения РЭМИ-3, позволяющий в течении 5 -ти часов производить замеры и сохранять результаты замеров в энергонезависимую память, для последующего ввода результатов измерений в базу данных ЭВМ. Разработка программно-аппаратного комплекса в составе автоматизированного регистратора РЭМИ-3 и ПК, позволяющий осуществлять электромагнитный мониторинг состояния в массиве, накапливать базу данных результатов мониторинга, осуществлять их статистическую обработку и прогнозировать динамические проявления в массивах; Апробация созданных систем в лабораторных и натурных условиях показали их эффективность, что подтверждено соответствующими актами испытаний. 22

Публикации Монография 1. Методы и системы сейсмодеформационного мониторинга техногенных землетрясений и горных ударов: Том 1/ [В. Н. Опарин и др. ]; отв. ред. Н. Н. Мельников; Рос. Акад. Наук, Сиб. отд-ние. , Ин-т горного дела [и др. ]. – Новосибирск: Издво СО РАН, 2009. – 304 с. – (Интеграционные проекты СО РАН, вып. 24) Статьи в изданиях ВАК 1. Бизяев А. А. , Вострецов А. Г. , Кривецкий А. В. , Яковицкая Г. Е. Аппаратура регистрации сигналов ЭМИ в условиях подземных горных выработок. Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых, 2008, № 2, с. 115 -122 2. Бизяев А. А. , Вострецов А. Г. Обнаружение изменения свойств нестационарного пуассоновского потока импульсов неизвестной интенсивности. Научный вестник Новосибирского государственного технического университета. - 2008. - № 3(32). - С. 37 -44 Статьи в трудах конференций 1. Vostretsov A. G. , Bizyaev A. A. Estimation of signal power parameter under binary quantized samples. Siberia Russia student workshop and tutorials on electron divices and materials. July 3 -7, 2001. Erlagol , EDM-2001. – p. 144 2. Бизяев А. А. , Вострецов А. Г. Estimation of Harmonic Signal Phases with A Priori Indefinite Parameters. International Sibirian Workshops and Tutorials on Electron Devices and Materials EDM’ 2004: Workshop Proceedings, 2004. 3. Бизяев А. А. , Кривецкий А. В. Пынзарь М. М. Яковицкая Г. Е. Об одном методе определения расстояния до источника излучения электромагнитных сигналов. Международная конференция «Проблемы и перспективы развития горных наук» 1 -5 ноября 2004 г. , г. Новосибирск. стр. 278. 4. Бизяев А. А. , Кривецкий А. В. Контроль разрушения конструкционных материалов по параметрам сигналов электромагнитного излучения. Международной конференции по физической мезомеханике, компьютерному конструированию и разработке новых материалов 7 -11 сентября 2009 г. , Томск, Россия c. 422 -424 5. Бизяев А. А. , Вострецов А. Г. Синтез алгоритма оценивания энергетического параметра сигнала. 7 -я международная НТК студентов и аспирантов. 28 февраля 2001 г. , г. Москва – М. : Изд. -во МЭИ, 2001. – стр. 50. 23

Публикации Тезисы докладов 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 13. 14. 15. 16. 17. 18. Бизяев А. А. , Брем В. Г. , Пынзарь М. М. Исследование динамического воздействия на статически нагруженный образец на основе регистрации сигналов электромагнитного излучения. Актуальные проблемы электронного приборостроения. АПЭП-2002, т. 4. Радиотехника. – Новосибирск, 2002, с. 140. Бизяев А. А. , Вострецов А. Г. Оценивание сигнала в аналого-цифровых системах. Труды IX международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Современные техника и технологии СТТ 2003» , Томск, 7 – 11 апреля 2003 г. – Томск: издательство ТПУ, 2003. стр. 163 Бизяев А. А. , Вострецов А. Г. Оценка энергетического параметра сигнала в системе с гауссовским шумом и тремя уровнями квантования. 58 -я НТК посвященная дню радио. Апрель 2003 г. Материалы конференции. СПб. : Изд. -во СПб ГУ «ЛЭТИ» , 2003. – стр. 38 -39. Бизяев А. А. , Вострецов А. Г. Оценивание сигнала в системах с двумя и тремя уровнями квантования. X Международная научно-практическая конференция студентов, аспирантов и молодых I ученых. Современные техника и технологии 7 -11 апреля 2003 г. т. I Томс. : Изд. -во ТПУ 2003. – стр. 163 Бизяев А. А. , Брем В. Г. Вострецов А. Г. Оценка амплитуды и фазы гармонического сигнала, наблюдаемого на фоне гауссовского шума и линейно изменяющейся помехи. Материалы VI Международной конференции «Актуальные проблемы электронного приборостроения АПЭП-2004» в 7 томах. Том 4 «Радиотехника. Телекоммуникации, конструирование и технология радиоэлектронных средств» . – Новосибирск, 21 – 24 сентября 2004, Изд. -во НГТУ, стр. 47. Бизяев А. А. , Кривецкий А. В. , Яковицкая Г. Е. Прогноз динамических проявлений массива горных пород на основе регистрации сигналов электромагнитного излучения. Труды третьей региональной научно-технической школы-семинара студентов, аспирантов и молодых ученых «Современные проблемы радиотехники СПР-2005» 28 -29 ноября 2005 г. г. Новосибирск. – Н. : Изд. во НГТУ, 2004 г. стр. 5. Бизяев А. А. , Ефремова М. Д. Оценка состояния массива при проведении горных выработок. Наукоемкие технологии добычи и переработки. // Труды конференции, апрель 2003 г. Новосибирск. Бизяев А. А. , Семенова Л. Н. Оценка устойчивости призабойной зоны подготовительных выработок на основе регистрации ЭМИ. Наукоемкие технологии добычи и переработки. // Труды конференции, апрель 2003 г. Новосибирск. Бизяев А. А. , Вострецов А. Г. , Кривецкий А. В. , Яковицкая Г. Е. О деформационно-волновых процессах в сигналах электромагнитного излучения на стадии предразрушения образцов горных пород. Материалы VIII международной конференции. Актуальные проблемы электронного приборостроения АПЭП-2006, Новосибирск, НГТУ, 2006, Том 3, ISBN 5 -7782 -0662 -3, C. 5 -8 Бизяев А. А. , Брем В. Г. , Вострецов А. Г. Оценка амплитуды и фазы сигнала, наблюдаемого на фоне гауссовского шума линейно изменяющейся помехи. Бизяев А. А. , Брем В. Г. , Вострецов А. Г. Оценка параметров гармонического сигнала известной частоты, наблюдаемого на фоне гауссовского шума и линейно изменяющейся помехи. 59 -я НТК посвященная дню радио. Апрель 2004 г. Материалы конференции. СПб. : Изд. -во СПб ГУ «ЛЭТИ» Бизяев А. А. , Брем В. Г. , Вострецов А. Г. , Кривецкий А. В. , Куратов К. А. Система сбора, передачи и обработки информации. 60 -я НТК посвященная дню радио. Апрель 2005 г. Материалы конференции. СПб. : Изд. -во СПб ГУ «ЛЭТИ» , 2005. Бизяев А. А. , Кривецкий А. В. , Моисеев С. В. Тектонико- геодинамические процессы в условиях залегания Таштагольского железорудного месторождения и методы диагностики разрушения массивов. Материалы Всероссийского совещания 18 -21 августа 2009 г. , Иркутск, Россия Т. 2, C. 190 -193 Бизяев А. А. , Вострецов А. Г. , Кривецкий А. В. О некоторых закономерностях в структуре сигналов электромагнитного излучения (ЭМИ) при нагружении строительных и природных материалов. Тезисы доклада на Третьей международной конференции Деформация и разрушение материалов и наноматериалов, Москва, институт металлургии и металловедения им. Байкова РАН, 12 -15 октября 2009 г. , Т. 1, C. 114 -115 56 -я НТК посвященная дню радио. Апрель 2001 г. Материалы конференции. СПб. : Изд. -во СПб ГУ «ЛЭТИ» , 2001. – стр. 27. Оценка эффективной обработки сигнала при реализации в аналогоцифровой системе Бизяев А. А. , Вострецов А. Г. Алгоритм обработки бинарно-квантованного сигнала в системе с добавочным шумом. Современные проблемы радиотехники СПР-2001. г. Новосибирск 26 -30 ноября. – Н. : Изд. -во НГТУ, 2001. – стр. 17. Бизяев А. А. , Вострецов А. Г. Оценивание энергетического параметра сигнала в системе с добавочным шумом и тремя уровнями квантования. Материалы VI Международной конференции «Актуальные проблемы электронного приборостроения АПЭП-2002» в 7 томах. Том 4 «Радиотехника. Телекоммуникации, конструирование и технология радиоэлектронных средств» . – Новосибирск, 23 – 26 сентября 2002, Изд. -во НГТУ, стр. 117. Бизяев А. А. , Вострецов А. Г. Оценка энергетического параметра сигнала в аналого-цифровой системе. 57 -я НТК посвященная дню радио. Апрель 2003 г. Материалы конференции. СПб. : Изд. -во СПб ГУ «ЛЭТИ» , 2003. - стр. 29. 24

Внедрение результатов в НИР Проекты РФФИ 1. № 05 -01 -00361 «Исследование алгоритмов решения задач обнаружения и оценивания сигналов на выходе каналов с замираниями в условиях априорной неопределенности характеристик полезного сигнала, канала и помех» ; 2. № 08 -01 -00031 «Исследование алгоритмов решения задач обнаружения и различения сигналов в условиях воздействия негауссовых помех с неизвестным распределением и селективных замираний в канале передачи с неизвестными характеристиками» ; 3. № 08 -05 -00025 «Корреляционная взаимосвязь напряженно-деформированного состояния горных пород со структурой и параметрами электромагнитного излучения при диагностике и контроле динамических проявлений массивов» ; 4. № 04 -05 -64863 «Исследование влияния нелинейных динамических процессов в горных породах на структуру сигналов электромагнитного излучения для прогнозирования динамических проявлений массива» ; Междисциплинарные интеграционные проекты СО РАН 1. Междисциплинарный интеграционный проект СО РАН № 93 «Разработка методов и создание систем сейсмодеформационного мониторинга техногенных землетрясений и горных ударов» Проекты ФЦП 1. НИР по государственному контракту № 09 -08 -00193 «Основы метода ЭМИ (электромагнитного излучения) при диагностике и контроле динамических проявлений горного давления (разрушения) массивов горных пород » в рамках ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009 – 2013 годы. 2. НИР по государственному контракту № П 235 «Фундаментальные и методические основы разработки метода ЭМИ для прогноза динамических проявлений горного давления, в том числе, техногенных землетрясений с целью предупреждения катастрофических событий (явлений) в массивах горных пород подземных горных выработок» 25

Спасибо за внимание!