Лабораторная работа № 3

ИЗМЕРЕНИЕ СКОРОСТИ РАСПРОСТРАНЕНИЯ УПРУГИХ КОЛЕБАНИЙ

В ГОРНЫХ ПОРОДАХ

Цель работы

Изучение теоретических основ и методики измерения скорости распространения упругих колебаний импульсным методом. Производство метрологического контроля прибора и лабораторных измерений на образцах горных пород.

Материалы и принадлежности

Ультразвуковой сейсмоскоп; кернодержатель; штангенциркуль, линейка; смазывающее вещество (солидол, глицерин); эталоны; образцы горных пород; микрокалькулятор.

Порядок проведения работы

1. Изучение теоретических основ упругих свойств горных пород.

2. Способы измерения скорости распространения упругих волн в лабораторных условиях. Устройство ультразвуковых сейсмоскопов.

3. Выполнение метрологического контроля и массовые измерения скорости распространения упругих волн.

4. Оценка результатов, формулирование выводов.

Пояснения к работе

При геофизических исследованиях упругие свойства горных пород измеряются двумя основными методами: статическим и динамическим. Наиболее широко применяют динамический метод, с помощью которого измеряют скорости распространения волн различного типа. Разработаны резонансные звуковые и импульсные ультразвуковые способы определения скорости распространения упругих продольных ( ) и поперечных ( ) волн. Наиболее распространен импульсный способ.

Измерения сводятся к определению времени t прохождения ультразвуковых импульсов через образцы заданной длины l, либо к определению времени запаздывания эхо-сигнала. Эти времена составляют от 10 до 100 мкс при длине пути до 100 см в породах и жидкостях. Для измерения промежутков времени в специальных приборах вырабатывается задержанный по времени относительно посылки волны импульс, который в одних электронных схемах совмещается с регистрируемым сигналом, а в других запускает скоростную ждущую развертку.

При прямом прозвучивании определяется по формуле:

= l/(t - t) (4),

где t – поправка на запаздывание.

Прямое прозвучивание в ряде случаев дополняют продольным профилированием, когда по заданному направлению (профилю) с шагом 1-2 см перемещается приемный датчик при неподвижном передающем датчике. Определяют скорости распространения продольной и поверхностной волн и далее по специальным номограммам оценивают скорость распространения поперечной волны. Другой способ измерения - использование специальных датчиков.

Измерения упругих свойств на образцах позволяют получить высокую точность в определениях физического параметра. Однако свойства образца при этом не всегда точно отражают свойства породы в естественном залегании. Несовпадение может быть обусловлено частичным изменением состава и текстурно-структурных особенностей образца по отношению к исследуемому геологическому образованию. Равенство скоростей в образце и в массиве достигается при r/ 1, где r – радиус образца и - длина ультразвуковой волны.

Скорость измеряют, используя переносные ультразвуковые приборы типа УК-10ПМС (частоты преобразователей от 25 до 150 кГц). Работа перечисленных измерительных приборов контролируется с помощью специальных образцовых мер (эталонов), размеры которых и скорость распространения продольных упругих волн определены с высокой точностью и достоверностью и указаны в сопроводительной документации или непосредственно на образцовых мерах. Для изготовления образцовых мер используются материалы (оргстекло , сталь 5,4 , 3,4 , дюралюминий 6,2 , 3,1 , кварцевое стекло 5,6 , 3,5 ) в которых дисперсия скорости, вызванная неоднородностью структуры материала, в 0,3 раза менее предельной инструментальной погрешности контролируемого прибора.

Типовая схема импульсного ультразвукового прибора для определения скорости распространения упругих волн в образцах горных пород приведена на рисунке 3.

Рисунок 3 Типовая схема импульсного ультразвукового прибора

Согласно приведенной схемы, от генератора возбуждающих импульсов на пьезоэлектрический излучатель, плотно прижатый к образцу породы, подаются импульсы высокого напряжения. Одновременно на приемно-осциллографический индикатор приходит импульс момента излучения. Его можно наблюдать в виде остроконечной пики в левом углу экрана индикатора. Основным показателем, наблюдаемым на электронно-лучевом экране в период процесса прозвучивания, является время t, отсчитываемое по маркам времени между моментами излучения и первым вступлением (см. рисунок 3).

При прозвучивании образцы горных пород размещаются на специальных подставках (рисунок 4), которые состоят из двух держателей 1 и датчиков 2. Держатели плотно крепятся к станине 3 и служат для установки и плотного прижима датчиков к образцу породы. Последний устанавливаются в держателе 4.

Рисунок 4 Схема держателя образцов к ультразвуковому сейсмоскопу

Из отечественных приборов для измерения наибольшее применение получили ультразвуковые сейсмоскопы УК-10ПМС (рисунок 5). Прибор состоит из передней и задней панелей 1 и 4, соединенных блоковыми стяжками 6. Дно прибора имеет опоры 5 и ручку 7, обеспечивающую удобный для работы угол подъема прибора. Верхняя откидная крышка 3 открывает доступ к лицевым панелям функциональных блоков 2, на которые выведены органы управления.

Рисунок 5. Внешний вид ультразвукового прибора УК-10ПМС

Импульсные приборы типа УК-10ПМС позволяют измерять времена пробега упругой волны в образце t и задержки импульса в аппаратуре t с абсолютными погрешностями t и t от 0,1 до 1 мкс. Следовательно, если t = t = 0,5 мкс, а длина образца l и скорость изменяются соответственно в пределах от 5 до 10^-1 м и от 300 до 7000 м/с, то относительная погрешность будет находиться в пределах от 0,2 до 16,0 % и будет тем значительнее, чем меньше длина l образца и больше скорость пробега в нём упругой волны. На основании этого рекомендуется выбирать длину l образца такой, чтобы она в 3-4 раза превышала длину волны, l = (3-4) .

Экспериментальная часть лабораторной работы состоит из двух последовательных этапов:

I. Метрологический контроль прибора.

II. Массовые измерения скоростей на образах горных пород.

1. Метрологический контроль прибора сводится к измерениям эталонных проб и определению погрешности прибора ε_v^ср, которая определяется по формуле, аналогичной формуле (3):

 % (5)

Измерения производятся в следующей последовательности:

1. Устанавливают датчики П111-0,1-ПЗ1МС и П111-ПЗ3МС в держатель или, при его отсутствии, в другое приспособление, обеспечивающее акустический контакт этих датчиков с эталоном.

2. Подключают высокочастотные кабели к излучающему и приемному датчикам (ПЭП) и разъемам прибора:

   1. кабель излучающего ПЭП П111-0.1-ПЗ1МС – к разъёму « »;

   2. кабель приемного ПЭП П111-ПЗ3МС – к разъёму « ».

3. Устанавливают на панели блока развертки, находящейся сверху прибора:

   1. ручку в крайнее левое положение;

ручку в крайнее правое положение;

2. кнопку «х10» при этом отпускают.

1. Устанавливают эталон в держатель между ПЭП, обеспечивая акустический контакт с помощью смазки (вазелин или солидол).

2. Включают шнур питания прибора в розетку сети и нажимают на кнопку «СЕТЬ» прибора, при этом на экране ЭТЛ должна загореться цифро-буквенная информация.

3. Нажимают на клавишу «СБРОС», чтобы убрать ненужную информацию.

4. Задают по команде на экране ЭТЛ режим работы – «РЕЖИМ-1» или «РЕЖИМ-3».

5. Нажимают клавишу «==», обеспечивающую ввод данных.

6. Выполняют команды программы, индуцируемые на экране ЭТЛ, нажимая каждый раз клавишу «СТИР» для стирания ненужных и ввода с помощью клавиатуры необходимых данных, к которым в первую очередь относится расстояние l в мм, равное длине прозвучиваемого эталона Нажимают клавишу «ИЗМЕР» и ждут результаты вычислений на микропроцессоре.

7. Снимают 10-20 показаний скорости распространения УЗК по цифровому индикатору при неизменной установке ПЭП и вычисляют среднеарифметическое значение этого времени.

Результаты измерений и расчётов записывают в таблицу 7.

Таблица 7

Результаты метрологического контроля на эталонных материалах

№ п/п	Наименование эталона	Размеры эталона (d, l), мм	, м/с	, м/с	, м/с
1	2	3	4	5	6	7
1	Оргстекло МД19-01	d = 50 l = 60	2400
2	Сталь	d = 50 l = 60	5000
3	Кварцевое стекло МД19-03	d = 50 l = 70	1300

Если  соответствует нормативным требованиям, т. е.  , прибор считают готовым к работе и приступают к производству массовых измерений.

II. Массовые измерения производят в той же последовательности, что и при метрологическом контроле. Результаты определения записывают в журнал по форме (таблица 8).

Перед прозвучиванием каждый образец визуально проверяется на следующие условия:

а) не должно быть искусственно созданных микротрещин, наличие которых вызывает значительное уменьшение измеренного значения ;

б) должны быть строго параллельны и хорошо отшлифованы торцевые поверхности, ограничивающие длину образца.

Таблица 8

Результаты измерений на образцах горных пород

№ п/п	Наименование породы	Расстояние (длина образца) l, мм	Средняя скорость по 20 замерам , м/с		Примечание
1	2	3	4	5	Наибольшая метрологическая погрешность по результатам эталонировки составляет ΔVi = ±_____
1
2
3
4
5
6
7

Содержание отчёта

1. Титульный лист.

2. Краткое описание теории и методики измерений скорости распространения упругих волн на образцах горных пород в лабораторных условиях.

3. Результаты технической проверки и метрологического контроля прибора и массовых измерений скорости распространения упругих волн на образцах горных пород.

4. Выводы по лабораторной работе, сопровождаемые графическими построениями.

Контрольные вопросы

1. Охарактеризуйте особенности динамического метода измерения упругих свойств горных пород и блок-схему импульсной ультразвуковой установки для исследования образцов.

2. Зачем нужен метрологический контроль прибора и как он выполняется?

3. От каких факторов зависят упругие коэффициенты и скорость распространения упругих волн для многофазных пород?

4. Какие породы и почему имеют максимальные и минимальные скорости распространения упругих продольных волн?