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. Проверка технического состояния и метрологический контроль прибора.

4. Выполнение измерений, оценка результатов.

5. Формулирование выводов

1. Изучение теоретических основ упругих свойств горных пород.

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.

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

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) .