Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Физико-технический контроль и мониторинг процессов горного или нефтегазового производства. Учебное пособие
.pdf
№ 2752
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ
«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «МИСиС»
Кафедра физических процессов горного производства
и геоконтроля
П.В. Николенко
Р.М. Гайсин
А.А. Кормнов
Физико-технический контроль
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ
ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ
и мониторинг процессов
горного или нефтегазового
производства
Учебное пособие
Утверждено Методическим советом НИТУ МИСиС
Москва 2016
УДК 622.831.1
Н63
Рецензенты:
д-р техн. наук О.Н. Малинникова (ИПКОН РАН);
канд. техн. наук Ю.Л. Филимонов (ООО «Газпромгеотехнология»)
Николенко П.В.
Н63 Физико-технический контроль и мониторинг процессов горного
или нефтегазового производства : учеб. пособие / П.В. Николенко,
Р.М. Гайсин, А.А. Кормнов. – М. : Изд. Дом МИСиС, 2016. – 81 с.
ISBN 978-5-906846-10-5
В учебном пособии рассмотрен широкий круг акустических методов геоконтроля массива горных пород. Представлены как теоретические основы
методов, так и лабораторные работы, предназначенные для освоения студентами практических навыков. Пособие снабжено необходимым материалом
для контроля знаний, включающим контрольные вопросы и тестовые задания
по каждому разделу.
Пособие предназначено для студентов, обучающихся по специальности
21.05.04 «Горное дело» и 21.05.05 «Физические процессы горного или нефтегазового производства» ФГОС ВПО.
ISBN 978-5-906846-10-5
2
УДК 622.831.1
П.В. Николенко, Р.М. Гайсин,
А.А. Кормнов, 2016
НИТУ «МИСиС», 2016
СОДЕРЖАНИЕ
Введение .................................................................................................. 4
Лабораторная работа 1. Измерение скорости
распространения упругих волн с использованием
ультразвукового дефектоскопа.............................................................. 6
Лабораторная работа 2. Исследование закономерностей
распространения упругих волн в анизотропном массиве
горных пород ........................................................................................... 17
Лабораторная работа 3. Изучение методики определения
параметров трещиноватости массива горных пород
комплексным акустическим методом ................................................... 26
Лабораторная работа 4. Выявление трещин в массиве
ультразвуковыми методами проходящих волн .................................... 35
Лабораторная работа 5. Сейсмоакустический
прогноз
горных ударов ......................................................................................... 46
Лабораторная работа 6. Определение расслоений
в конструктивных элементах горных выработок
акустическими методами ....................................................................... 55
Лабораторная работа 7. Применение ультразвукового
корреляционного каротажа при исследовании кровли
горных выработок ................................................................................... 71
Библиографический список ................................................................... 80
3
ВВЕДЕНИЕ
Геоконтроль – это вид контроля, объектом которого является массив горных пород и его отдельные структурные элементы, а также
протекающие в них природные и технологические процессы, осуществляемый в целях информационного обеспечения эффективного и
безопасного ведения горных работ.
Первые шаги в области геоконтроля относятся к 20-м годам XX в.,
когда в нашей стране
инструментальные наблюдения за сдвижением массивов на ряде месторождений, а также положено начало систематическому изучению
прочностных и упругих свойств горных пород, и различных проявлений горного давления в выработках.
При этом преимущественно использовались механические и
маркшейдерско-геодезические методы исследования. Позднее, начиная с 1950–1960-х
пенно заняли доминирующее положение в геоконтроле так называемые методы горной геофизики, основанные на изучении природы,
структуры, пространственной неоднородности и временной изменчивости естественных и искусственных физических полей в массиве
горных пород при отработке месторождений
Особое место среди геофизических методов геоконтроля занимают акустические
упругих колебаний и волн с горными породами. Сущность этих методов сводится к тому, что вследствие указанного взаимодействия
претерпевают изменения параметры распространяющегося в геосреде акустического сигнала, который становится при этом носителем
измерительной информации о первичных физических полях, характеризующих горную породу и
контроля. Таким образом, проблема определения параметров распространяющихся в них акустических сигналов, осуществляемому современными радиоэлектронными и акустическими средствами.
Условно основные задачи, решаемые на сегодняшний день акустическими методами геоконтроля, можно разбить на следующие
группы:
1. Задачи горно-геологического контроля, связанные с изучением
общего геологического строения массивов
логическим расчленением; установлением границ раздела полезных
ископаемых и вмещающих пород; выявлением различных типов на-
и за рубежом были организованы специальные
годов, стали активно развиваться, а затем посте-
методы, т.е. методы, основанные на взаимодействии
являющихся объектом исследования и
горных пород и их лито-
4
рушений в массиве (разрывов, карста, мульд и другие) и включений с
аномальными физико-механическими свойствами; оконтуриванием
зон выветривания, трещиноватости, дробления и др.
2. Задачи горно-технического контроля, связанные с изучением
плотностных, механических (упругих, пластических, прочностных,
реологических), волновых (акустических) и горно-технологических
свойств горных пород, их неоднородности, анизотропии и трещиноватости.
3. Задачи
горно-технического контроля, связанные с изучением на-
пряженно-деформированного состояния конструктивных элементов
систем разработки и горных выработок различного назначения, прогнозом их устойчивости, а также опасных проявлений горного давления.
4. Задачи горно-технологического контроля, связанные с оценкой
качества упрочнения, разупрочнения, закрепления, разрушения и
других процессов, осуществляемых в массиве в целях целенаправ
ленного изменения его свойств и состояния.
5. Задачи горно-экологического контроля, связанные с оценкой
негативного влияния горных работ на состояние окружающей среды.
Возможности решения такого широкого круга задач именно акустическими методами обусловлены: наличием устойчивых функциональных и корреляционных связей соответствующих информативных параметров со свойствами, структурными особенностями и напряженно
-деформированным состоянием горных пород; использованием различных типов упругих волн и видов зондирующих сигналов
в широком диапазоне частот, а также широкого спектра информативных параметров этих сигналов; многочисленными возможными
вариантами схем реализации акустических измерений как на образцах, так и в массиве горных пород.
В рамках настоящего учебного пособия в
силу ограниченности
его объема рассматриваются лишь некоторые из акустических методов и решаемые с их помощью задачи. Пособие состоит из семи независимых частей, каждая из которых посвящена конкретному вопросу акустического контроля и содержит необходимую теоретическую часть, контрольные вопросы, описание соответствующей лабораторной работы, а также тесты для самоконтроля
. Такая структура
пособия призвана обеспечить возможность его использования как
для проведения лабораторных работ, так и для самостоятельной работы студентов и самопроверки полученных ими знаний.
Пособие подготовлено в рамках госзадания № 2014/113 (проект
№ 504).
-
5
Лабораторная работа 1
ИЗМЕРЕНИЕ СКОРОСТИ РАСПРОСТРАНЕНИЯ
УПРУГИХ ВОЛН С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ
УЛЬТРАЗВУКОВОГО ДЕФЕКТОСКОПА
Цель работы. Приобрести навыки работы с ультразвуковым де-
фектоскопом УКБ-1М.
1.1. Общие сведения
Для целей геоконтроля наибольшее распространение получили
импульсные одно- и многопараметровые приборы, работающие в
относительно низкочастотном диапазоне (< 1 МГц). Работа простейших измерителей времени распространения ультразвуковых колебаний (УЗК), за исключением некоторых особенностей, заключается в
следующем. Импульсный генератор 1 (рис. 1.1) возбуждает излучающий преобразователь 2. Ультразвуковые (УЗ) импульсы, пройдя
через контролируемую базу горной
преобразователем 3 и далее в виде электрического сигнала поступают на усилитель 4.
Импульс U
генератора 1 через схему 5 регулируемой компенса-
1
ционной задержки запускает триггер 6. Причем импульс U
схемы 5 отсекает от импульса U
элементах акустического тракта прибора (протекторы преобразователей, контактные переходные слои и т.п.). Таким образом, фронт
импульса U
соответствует началу отсчета измеряемого временного
2
интервала.
Импульсом U
с выхода усилителя 4 триггер 6 переводится в ис-
3
ходное состояние и на его выходе завершается формирование импульса U
длительностью tP, равной искомому времени распростра-
4
нения УЗ сигнала на базе L. Этот импульс управляет временным селектором 7, пропускающим на вход электронного счетчика 9 цуг
счетных импульсов U
с кварцевого генератора 8.
5
Приборы, имеющие в качестве индикатора полноценный ЭЛТ или
ЖК экран, позволяют измерить не только время распространения, но
и динамические характеристики принятого УЗ сигнала. Кроме того,
эти приборы позволяют визуально наблюдать форму сигнала и анализировать его искажения, идентифицировать первое вступление
продольных и поперечных волн и т.
6
породы, принимаются приемным
с выхода
2
на время t3 задержки УЗ сигнала в
1
д.
Рис. 1.1. Функциональная схема счетно-импульсного измерителя
времени распространения УЗК (а) и временные диаграммы,
поясняющие его работу (б)
Благодаря используемому диапазону частот, активные УЗ методы
оказываются наиболее эффективными при решении задач геоконтроля, которые связаны с исследованием относительно небольших объемов горных пород и требуют высокой разрешающей способности.
Сущность извлечения искомой информации о горной породе УЗ
методами сводится к следующему. В процессе своего распространения УЗ колебания взаимодействуют с
первичными полями различной
физической природы, характеризующими горную породу как объект
исследования и контроля. При этом изменяются параметры УЗ колебаний. В результате последние становятся носителями измерительной информации. В то же время сами УЗ колебания, являясь низкоэнергетическими, на исследуемые первичные поля практически не
влияют.
Таким образом, проблема определения параметров
первичных физических полей сводится к измерению параметров УЗ сигналов, осуществляемому специализированными радиоэлектронными средствами.
7
По функциональному признаку технические средства УЗ методов
контроля подразделяются на УЗ приборы, УЗ преобразователи и
вспомогательное оборудование.
УЗ приборы осуществляют: формирование электрических сигналов, возбуждающих излучающие акустические преобразователи;
усиление и селекцию на фоне помех сигналов, принятых приемными
акустическими преобразователями; обработку принятых сигналов,
обеспечивающую измерение и регистрацию параметров.
УЗ преобразователи предназначены для
излучения акустических
колебаний под воздействием электрических колебаний генератора
УЗ прибора, а также для приема акустических колебаний и преобразования их в электрический сигнал.
Вспомогательное оборудование предназначено для установки и
фиксации УЗ преобразователей в заданных точках контроля (в частности, на поверхности образцов, блоков и скважин), а также определения
геометрических параметров (
баз, глубин и др.) схемы измерения.
Ультразвуковые приборы геоконтроля подразделяются:
1) по условиям применения и степени защищенности:
– на лабораторные;
– полевые;
– шахтные (в том числе, пыле-, влаго-, искро-, взрывозащищенные);
2) количеству определяемых информативных параметров:
– на однопараметровые;
– многопараметровые;
3) измеряемым характеристикам УЗ сигнала:
– на временные;
– амплитудные;
– спектральные;
– корреляционные;
4) виду
используемого зондирующего УЗ сигнала:
– на приборы с импульсным излучением;
– приборы с непрерывным (гармоническим, шумовым) излучением;
5) реализуемому методу (методике) измерений:
– на приборы теневого контроля;
– приборы эхо-импульсного контроля;
– универсальные;
– каротажные;
– резонансные;
6) виду индикации:
– с цифровой индикацией;
– ЭЛТ индикацией;
8
7) типу используемого источника питания:
– с сетевым питанием;
– автономные;
– универсальные.
Прибор УЗ импульсный УКБ-1М предназначен для измерения
времени распространения упругих УЗ колебаний и затухания в контролируемых средах с последующим определением качества материала и конструкций без их разрушения.
Прибор позволяет по измеренной скорости распространения УЗ колебаний, степени
затухания и форме огибающей многократных отражений
импульсов определять качество строительных материалов и горных пород.
Основные технические характеристики дефектоскопа УКБ-1М
приведены в табл. 1.1.
Таблица 1.1
Характеристика Значение
Диапазон рабочих температур, °С –10…+35
Диапазон измерения времени, мкс 0…5500
Приборная погрешность измерения времени
распространения УЗ колебаний в диапазоне 0…500 мкс, %
Диапазон работы аттенюатора ослабления амплитуды
сигнала, дБ
Коэффициент усиления усилителя при соотношении
сигнал/шум равном 10
Полоса пропускания усилителя на уровне 0,7, кГц 10…200
Номинальные рабочие частоты пьезопреобразователей, кГц 25, 60, 100 и 150
Питание, В/Гц 220/50
±1
1…60
0,3·10
6
Принцип работы дефектоскопа следующий. Задающий генератор
вырабатывает импульсы для запуска ступенчатой или плавной задержки ждущей развертки, которая используется для отсчета времени
прохождения УЗ сигнала в материале. Кроме того, импульсами синхронизатора через линию задержки («Установка нуля») запускается
генератор УЗ колебаний. Электрические импульсы генератора возбуждают передающий преобразователь на его резонансной
частоте. Упругие колебания передающего преобразователя, при его контакте с
поверхностью контролируемой среды, вводятся в данную среду.
Прошедшие через изделие колебания принимаются приемным
преобразователем и преобразуются в электрические колебания, которые поступают через аттенюатор на вход предусилителя. Усиленные
усилителем колебания подаются на экран прибора.
Внешний вид передней панели прибора УКБ-1
М представлен на
рис. 1.2
9
Рис. 1.2. Внешний вид передней панели дефектоскопа УКБ-1М
На передней панели расположены следующие органы управления
(с соответствующим назначением):
– ручка «отсчет плавно мк сек» – для отсчета по шкалам лимба и
нониуса времени прохождения УЗ колебаний;
– переключатель «род работы» – для выбора одного из трех ре-
жимов работы: измерение («измер»), автоматическая сигнализация
времени распространения («А С В
Р»), калибровка («калибр»);
– переключатель «отсчет ступенчато» – для отсчета времени
распространения, превышающего по длительности 500 мкс;
10
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]