Сейсмический метод оценки состояния горных пород

14.11.2019

Суть сейсмического метода состоит в том, что через массив горных пород пропускается упругий импульс или серия калиброванных упругих колебаний. По скорости и затуханию упругих волн судят о напряженности массива.

В зависимости от принятой схемы прозвучивания и поставленной задачи исследований для возбуждения сигнала может быть использован механический удар по породе или взрыв заряда ВВ.

Для углей и пород угольных формаций оптимальная частота сигнала составляет порядка 1 кГц. При этом, чем стабильнее (как по частоте, так и амплитуде) возбуждаемый сигнал, тем меньше будет ошибка в измерении времени распространения сигнала (при (заботе с цифровым прибором).

Формирование импульса происходит на контакте ударяющего элемента и породы. От контактирующей поверхности и свойств пород зависят при прочих равных условиях форма и крутизна фронта, а также частота посылаемого в породу импульса. При непосредственном ударе каким-либо предметом по породе стабильности излучаемого сигнала достигнуть очень трудно, так как на ее поверхности всегда имеются выступы или шероховатости, а при вторичном ударе попасть в одно и то же место практически невозможно. Поэтому непосредственный удар по породе мало пригоден.

Наиболее целесообразным является удар по породе через промежуточный элемент (массу). Промежуточный элемент плотно прижимается к породе и после нескольких ударов контакт между ним и породой становится гладким и плотным, что обеспечивает стабильность сигнала как по частоте, так и по другим параметрам. На процесс формирования импульса при соударении реальных тел влияет множество факторов, в результате чего реальный импульс значительно отличается от теоретического, построенного по Сен-Венану с учетом основных допущений об идеально плоских торцах (обусловливающих мгновенное нарастание напряжения), перпендикулярности смещения торцов при любом соотношении диаметров и отсутствии диссипации.

В реальных условиях крутизна фронта нарастания волны напряжения снижается за счет появления так называемого "концевого эффекта" — времени, необходимого на герцовскую деформацию не абсолютно плоских торцов, что в ряде случаев может увеличить продолжительность импульса в два раза по сравнению с теоретическим периодом 2 2l/a0, где l — длина ударника, а0 — скорость волны.

На форму импульса влияет фактор перераспределения энергии от более высокочастотных гармоник к низкочастотным, а разность скоростей распространения последних приводит к расплыванию импульса. Этому способствуют диссипативные потери при формировании и распространении импульса в самом материале, внешнее трение в местах контакта и т.д. В конечном итоге при распространении импульса в породе наблюдается уменьшение частоты и крутизны его фронта.

Чтобы определить длительность подаваемого в породу импульса, надо знать, в основном, скорость продольной волны, длину ударника и форму торцов соударяющихся элементов. Крутизна фронта импульса остается неизменной при постоянных параметрах удара и ударной системы в целом (длины и формы торцов элементов и т.д.). В трехэлементной системе (ударник, промежуточный элемент, порода) к породе проходит ударный импульс, сформировавшийся ранее в области удара ударника о промежуточный элемент. На контакте промежуточного элемента с породой, т.е. в области, где площади сечения и упругие свойства материалов меняются, ударный импульс отражаясь и преломляясь получит новые параметры.

Однако в том случае, когда длина ударника больше длины промежуточного элемента продолжительность сформировавшегося импульса можно считать по формуле Сен-Венана (t = 2l0/a0, где l0 — длина меньшего стержня), учитывая при этом, что часть энергии волны при переходе ее из промежуточного элемента в породу будет потеряна, крутизна фронта волны изменится, а длительность импульса (частотная характеристика) изменится незначительно.

По расчетам для заданной частоты 1 кГц с учетом податливости торцов длина ударника должна быть в пределах 1,5-2,5 м, что трудно осуществимо в конструкции ударного устройства.

Для выяснения уровня изменения частоты импульса с расстоянием, а также влияния характера удара на частоту и стабильность импульса, выполнены специальные опыты в лабораторных условиях. Были изготовлены два вида ударных устройств: "молоток" со встроенным пьезоэлементом и "пистолет", в котором также встроен пьезоэлемент. Сигналы обоими видами устройств возбуждали ударами непосредственно по массиву и по наковальне, вбитой в массив.

Запись сигналов производили сейсмоприемником в скважине, расположенной на расстоянии 0,25—0,5 м от места удара.

Анализ сейсмограмм ударных импульсов показал, что наиболее стабильный импульс наблюдается при ударе через промежуточный элемент по наковальне, вбитой в массив. Для получения стабильного сигнала по частоте и амплитуде целесообразно удар производить с постоянной энергией.

Упругий импульс, возбужденный в породе, представляет собой модулированный по частоте сигнал. В процессе распространения его по породе высокие частоты затухают быстрее, чем низкие, в результате сигнал меняет свою частоту и амплитуду в сторону снижения. Степень уменьшения частоты и амплитуды зависит от свойств и состояния массива, а также от расстояния, которое прошел импульс (от точки возбуждения, до точки приема).

В процессе распространения импульса в породе формируется доминирующая частота, при которой амплитуда сигнала в несколько раз больше, чем при других частотах. Доминирующая (резонансная) частота для некоторых пластов шахт Донбасса составляет 500—1000 Гц. По мере удаления от излучателя наблюдается некоторое понижение доминирующей частоты. Так, на расстоянии 1,8 м от излучателя максимум амплитуды приходится на область 500 Гц, а в точках базы 7,2/15,3 м максимум амплитуды устойчиво сохраняется в диапазоне 300 — 400 Гц.

Таким образом, максимум амплитуды с увеличением расстояния сдвигается в сторону более низких частот, а численное значение частоты, соответствующее максимальной амплитуде сигнала, зависит от свойств пород и колеблется в пределах 500/1000 Гц. Эту особенность необходимо учитывать при конструировании акустического прибора. В связи с затуханием сигнала как по амплитуде, так и по частоте при использовании цифровых регистрирующих устройств возникает ошибка в измерении времени (рис. 8.1). Представим, что уровень порогового срабатывания счетного устройства прибора равен Л V.
Сейсмический метод оценки состояния горных пород

Тогда при прохождении сигнала в виде периодического колебания через базу прозвучивания (от точки возбуждения до точки приема) частота и амплитуда уменьшатся. Погрешность в измерении времени прохождения сигнала между датчиками увеличивается за счет разного времени срабатывания пороговых устройств.

При сигнале в точке возбуждения погрешность измерения времени составит At1, а в точке приема At2. Поскольку At2 > At1, погрешность в измерении времени прохождения сигнала At = At2 — At1. На маленьких базах Al может быть соизмеримой с временем прохождения сигнала по базе в целом, что недопустимо. Для исключения этой погрешности необходимо уравнять углы наклона сигнала, идущих от запускающего и стопорящего сейсмоприемников.

Акустический прибор для определения напряженного состояния горных пород должен быть простым по конструкции, надежным в работе, в производственных условиях быстро регистрировать акустические характеристики пород, искробезопасным, способным прозвучивать базы от десятков сантиметров до десятков метров без существенных погрешностей. Таким прибором могло быть устройство, построенное на принципе счета стандартных импульсов, вырабатываемых генератором. В настоящее время такие устройства серийно не изготовляются.

Известны конструкции цифровых измерительных устройств, которые позволяют определять скорость распространения упругих волн посредством измерения отрезка времени с начала возбуждения (или с любой другой точки на профиле прозвучивания) до момента прихода первого вступления волны на датчик остановки счета. Однако они имеют следующие недостатки:

- невозможность определить затухания волн;

- невозможность использования в шахтах, опасных по газу и пыли;

- большие погрешности в измерении времени распространения волн.

Для устранения этих недостатков ИГД им. А.А. Скочинского в аналогичное устройство были введены канал для замера затухания амплитуды, формирователь и усилитель с неравномерной частотной характеристикой. Устройство выполнено в искробезопасном исполнении.

Отличительной особенностью созданного прибора является возможность усиления сигнала меньшей частоты в большее число раз, чем сигнала высокой частоты.

Исключение ошибки измерения достигается тем, что зная амплитуды принятых датчиками сигналов определяется затухание сигнала, пропорционально которому устанавливается уровень усиления сигнала от датчика, останавливающего счет, и тем самым выравниваются амплитуды сигналов, поступающих от датчиков.

В последней конструкции прибора ошибка измерений устраняется автоматически с помощью специального блока, который определяет ошибку и автоматически вычитает ее из полученного результата.

Ударное устройство для возбуждения импульса в массиве (рис. 8.2) выполнено в виде "ружья" и состоит из ударника 1, промежуточного элемента 2, пружины 3, которые размещены в корпусе 4. С помощью рукояти 5 производится взвод пружины и при нажатии на спусковой крючок 6 ударник под действием пружины будет перемещаться и ударит по промежуточному элементу, прижатому к массиву. Ударный импульс, сформировавшийся на контакте ударника и промежуточного элемента передается в породу.

При акустических исследованиях необходимо знать с достаточной точностью базу прозвучивания в глубине массива. В виду того, что точно пробурить взаимопараллельные шпуры невозможно, эту базу приходится определять в каждом конкретном случае. Для этого сконструировано скважинное измерительное устройство (рис. 8.3), позволяющее по измерению одного базисного расстояния и двух углов вычислять базу прозвучивания на любом удалении от контура выработки,

Устройство состоит из двух направляющих 1, 1', вставляемых в шпуры, двух трубок 2, 2', поворачивающихся по оси относительно друг друга, и двух лимбов 3, 3' с указателями 4, 4' для отсчета углов, Направляющая составляет с трубкой угол 90°,

Трубка 2 имеет шкалу с делениями для отсчета расстояния и лимб 3 для отсчета угла поворота относительно трубки 2. Направляющая неподвижно соединена с трубкой 2, последняя неподвижно соединена с указателем 4. Лимб 3 неподвижно крепится на трубке 2'.

В процессе измерений направляющие вставляются в шпуры и по шкале трубки 2 берется отсчет расстояния между устьями шпуров, а по шкалам лимбов 3, 3' отсчет углов расхождения во взаимноперпендикулярных плоскостях.

База прозвучивания с помощью измерителя находится по определенной схеме (рис. 8.4), где AD = m — выдвижное плечо измерителя, AT = DE = l— измерительные штанги (принятые равными по длине). Штанга AT способна поворачиваться вокруг оси, совпадающей с AD, штанга DE вращается вокруг оси, перпендикулярной AD. Углы поворота штанг AT и DE обозначены соответственно через а и в. Расстояние между датчиками

Для оперативного нахождения TE построены номограммы (рис. 8.5, 8.6), по которым определяется не величина TE, а ее проекция, что приводит к погрешности при наибольшей разности абсолютных значений углов а и 0, не превращающей 1,5-2,0% от истинного расстояния между датчиками.

Для построения номограмм сначала были вычислены величины проекций приращения CM при различных углах а — от 0 до 20°. В случае положительного угла о приращение, обозначенное через Axа, берется со знаком "плюс", при отрицательных углах а — со знаком "минус". Значения Axа при различных а и l можно найти по номограмме на рис. 8.5.

Затем были вычислены значения проекции TE, обозначенной через X.

По номограмме на рис. 8.5 для заданного утла в по величине l находится Axа, которая берется со знаком, соответствующим знаку угла п. Эта величина суммируется с величиной т выдвижной штанги измерителя. Затем по этой же номограмме находится величина Axв. Зная величины Axв и m + Аха, по номограмме на рис. 8.6 находится значение А'.

Для надежной регистрации прямой продольной волны определяется база проэвучивания l исходя из:

T1 — времени распространения импульса от А до D по пласту;

C1 — скорости продольной волны в пласте угля;

C2 — скорости продольной волны в кровле или почве (наиболее скоростном слое);

h — расстояния между шпуром и кровлей или почвой.

Акустический прибор с электронным счетчиком времени для определения скорости и затухания упругих волн основан на принципе счета импульсов при прохождении сигнала от запускающего сейсмоприемника к сейсмоприемнику, останавливающему счет импульсов.

В комплект аппаратуры входит ударное устройство, сейсмоприемники, мерительное устройство, электронный счетчик измерения времени прохождения и затухания волн.

При разработке шахтной акустической аппаратуры одним из главных вопросов является создание скважинных (шпуровых) сейсмоприемников, которые должны обеспечивать надежный акустический контакт, иметь хорошую характеристику направленности и достаточную чувствительность.

Чувствительность пьезоэлемента, на основе которого выполнен сейсмоприемник, зависит от материала, из которого он сделан, контактных условий с изучаемой средой, условий деформирования и собственной емкости пьезоэлемента.

В качестве пьезоэлемента наиболее широко используется сегнетовая соль и цирконат-титанит свинца, обладающие наиболее высоким пьезомодулем.

Напряжение, снимаемое с обкладки пьезоэлемента пропорционально действующей на него силе (перемещению инерционного элемента ударника).

Известно, что чувствительность датчика может быть увеличена за счет снижения собственной емкости путем соединения отдельных элементов в пакеты.

Демпфирование уменьшает чувствительность сейсмоприемника, но оно необходимо, чтобы уменьшить величину собственных колебаний системы и увеличить рабочий диапазон частот. Большое влияние на чувствительность сейсмоприемника оказывают условия контакта датчика с породой. Для улучшения контакта используют различные смазки и прокладки в виде резины, но все это создает неудобства в работе и не всегда обеспечивает надежный контакт.

Лучший контакт получается при использовании специальных гидравлических или пневматических прижимных устройств. Усилие прижатия датчика к стенке скважин оказывает существенное влияние на амплитуду принимаемого сигнала.

Собственная частота колебаний влияет на режим работы сейсмоприемника и поэтому выбирается так, чтобы ее значение не входило в рабочий диапазон частот.

В ИГД им. А.А. Скочинского разработан сейсмоприемник с пневматическим прижатием к стенке скважины, который действует по принципу акселерометра, собственная частота которого выше частоты принимаемого сигнала (рис. 8.9).

Исключительно важным вопросом является направленность работы сейсмоприемника, т.е. способность регистрировать сигналы в выбранном направлении. Это необходимо для того, чтобы можно было лучше выделить из приходящего сигнала тот или иной тип волны.

Существующие типы сейсмоприемников, как правило, обладают слабой чувствительностью, так как в них используются пластины пьезоэлементов прямого среза, работающие в режиме сжатия или растяжения и позволяющие выделить первую приходящую (продольную) волну.

Известно несколько типов сейсмоприемников направленного действия. В сдвиговых приемниках поперечная волна вызывает поляризацию специальной вырезанной пьезопластины за счет сдвиговых усилий: в биморфных (две склеенные пластины пьезоэлементов), один из концов жестко закреплен, а к другому прикладываются внешние нагрузки от проходящего сигнала. Оба типа сейсмоприемников используются только в лабораторных условиях, так как требуют обеспечения хороших и надежных контактных условий.

В сейсморазведке известны сейсмоприемники направленного действия, основанные на индукционно-инерционном эффекте. Они обладают большой инерцией и применимы в основном тогда, когда производится запись нескольких сейсмограмм на пленку.

В настоящее время в технике находят широкое применение инерционные пьезоэлектрические приемники, принцип действия которых основан ка инерционном действии массы, изгибающей пластину с наклеенным на нее пьезоэлементом, в котором при этом возбуждается электрический заряд. Такие датчики нашли применение в машиностроении при изучении вибраций.

В ИГД им. А.А. Скочинского изготовлен биморфно инерционный сейсмоприемник (рис. 8.10), имеющий достаточно высокую чувствительность и обеспечивающий надежный пневматический контакт датчика со стенкой скважины. В его основу положен принцип изгиба мембраны 1 под действием инерционных масс, на которую наклеен биморфный элемент 2.

Действие такого сейсмоприемника (рис. 8.11) состоит в том, что под влиянием приходящих колебаний центральный стержень 1 перемещается, инерционные массы 3 изгибают при этом пластину 2 с пьезоэлементом, на котором возникает электрическое напряжение.

Биморфно инерционный датчик, выполненный в виде консольной балки, оказался недостаточно прочным.

Для прозвучивания массива могут быть использованы три основные схемы.

Схема № 1 (рис. 8.12). Сейсмоприемник размешается в скважине на определенном расстоянии от устья скважины, а возбудитель сигнала находится на поверхности забоя. Расстояние сейсмоприемника от устья скважины увеличивается примерно через каждые 0,5 м И корректируется в зависимости от местных условий и состояния массива. Расстояние между точкой возбуждения сигнала и устьем скважины (вдоль линии забоя) выбирается соответственно мощности пласта M и составляет (0,5/1,5) М. Для обеспечения стабильности импульса возбуждения сигнала производится удар через штангу В дно шпура глубиной 0,5 м. Возможен вариант, при котором сейсмоприемник устанавливается в скважине постоянно на некотором расстоянии от устья шпура, а точка возбуждения меняется. Расстояние от точки возбуждения до устья шпура изменяется от 0,5 м до максимального, при этом шаг изменения расстояния составляет 0,5 м. Запускающий датчик располагается в штанге, через которую возбуждается импульс.

Схема № 2 (рис. 8.13). Прозвучивание производится через две скважины, пробуренные в пласте угля. В одной из скважин размещается стопорящий сейсмоприемник, а во второй размещается источник возбуждения сигнала и запускающий датчик. В нашем случае это специальная штанга, в которой встроен пьезокерамический элемент. При прозвучивании массива одна из скважин пробуривается сразу на всю глубину, а вторая сначала на 0,5 м, а затем углубляется ступенями через каждые 0,5 м по мере перемещения стопорящего сейсмоприемника в первой скважине. Прозвучивание массива между скважинами производится ступенями через каждые 0,5 м.

Возможен вариант, в котором источник возбуждения находится не в скважине, а на открытой поверхности, расположенной в прилегающей горной выработке (в печи или просеке). При этом варианте прозвучивания запускающий датчик расположен в ближней от точки возбуждения скважине.

Схема № 3 — проэвучивание с использованием трех скважин (рис. 8.14). Все три скважины расположены на одной линии. В одной из крайних скважин устанавливается возбудитель сигнала, во второй запускающий датчик, а в третьей датчик, предназначенный для остановки счета прибора. Расстояние между скважиной, в которой расположен источник возбуждаемого сигнала и скважиной с источником "Запуск" для угля должно составлять порядка 3 м. Расстояние между двумя скважинами (между запускающим и стопорящим датчиками) определяется в зависимости от поставленной задачи и местных условий.

По бесскважинной схеме сейсмоприемники устанавливаются вдоль профиля на поверхности массива. Крепление сейсмоприемников к массиву производится с помощью алебастра или с помощью штырей. Возбуждение сигнала производится ударом по наковальне, вбитой вблизи запускающего сейсмоприемника. Останавливающий сейсмоприемник передвигается вдоль профиля прозвучивания с шагом 1 м. Возможен вариант установки сейсмоприемников в подбурках глубиной до 0,5 м.

По данным сейсмопрофилирования строятся годографы первых вступлений сейсмических волн. Скорость сейсмических волн определяется способом разностного годографа, построенного по системе встречных годографов.

Изготовленное в ИГД им. А.А. Скочинского оборудование применяется для скважин диаметром 42 мм и глубиной до 7,5 м. Для скважин большей глубины необходимо иметь соответствующую длину досылочных шлангов.

Методика исследований. В начале выбирается схема прозвучивания в зависимости от поставленной задачи и горно-геологических условий. Затем приступают к бурению скважин. Глубина, диаметр и расстояние между скважинами устанавливаются в соответствии с данными, указанными выше. Далее измеряют расстояние между устьями скважин и определяют направленность скважин относительно друг к другу. После этого размещают датчики и путем нагнетания воздуха в подающие шланги прижимают их к стенкам скважины. Давление, создаваемое в шланге, составляет 0,15 МПа. Затем подключают аппаратуру и производят пробные замеры. Если при этом обнаруживается резкая разница между отдельными показаниями прибора, то производят подкачку воздуха в шланги и многократными ударами в одно и то же место улучшают контакт между передающей штангой и забоем. После стабилизации показаний прибора снимают рабочий отсчет. Для каждой базы делают не менее девяти замеров (12 замеров позволяют получить данные с достоверностью 99,7 %).

Анализ многочисленных экспериментальных данных по установлению зависимостей скоростей продольных волн от давления, действующего в направлении распространения этих волн показал, что эта зависимость — Cпр = f(P) в общем виде выразится кривой, на которой имеется точка перегиба.

Разработан принцип построения тарировочной кривой Cпр = f(P), позволяющий без использования специальных давильных устройств, зная скорость распространения волн при различных напряженных состояниях массива, определять примерно напряжение в любой его точке (в долях yII).

При построении тарировочной кривой необходимо знать скорость продольной волны в ненагруженном массиве Cпр.н, в точке перегиба (Спр.т.п и в глубине массива (где действует только ill). Величины Cпр.и и Cпр.т находят в массиве путем непосредственных замеров. Скорость продольных волн в точке перегиба Cпр.т.п определяют по уравнению

Тарировочную кривую строят следующим образом. По оси ординат откладывают скорость продольных волн (рис. 8.15): первоначально в ненапряженном массиве Спр.н, а затем на этой же оси откладывают скорость продольной волны. которая соответствует точке перегиба. Из полученной точки, соответствующей Спр.т.п проводят пунктирную линию, параллельную оси абсцисс.

Из точки, соответствующей Спр.н. расположенной на оси ординат под углом к оси абсцисс w = 180 — (ф—а) проводят прямую линию до пересечения с горизонтальной пунктирной линией, проведенной из точки, соответствующей Cпр.т.п. Из полученной точки пересечения этих прямых под углом а (табл. 8.1) к оси абсцисс проводят вторую прямую линию. Таким образом получается ломаная тарировочная линия.

После этого на оси ординат откладывают точку Cпр.г и проводит горизонтальную пунктирную линию до пересечения с тарировочной линией. Из полученной точки пересечения опускают перпендикуляр на ось абсцисс.

Точка пересечения перпендикуляра с осью абсцисс будет соответствовать значению уН. Полученный масштаб в долях уН наносится на всю ось абсцисс.

Методика и аппаратура для оценки напряженности массива были проверены в натурных условиях. Результаты испытаний подтвердили возможность надежного определения аппаратурой АИВ скоростей распространения продольных волн по предложенным схемам прозвучивания. Сравнение полученных результатов по оценке напряженности массива сейсмоакустическим методом и методом разгрузки показывает достаточно хорошую их сходимость.


Имя:*
E-Mail:
Комментарий:
Информационный некоммерческий ресурс fccland.ru © 2019
При цитировании и использовании любых материалов ссылка на сайт обязательна