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
2.3. Описание лабораторной установки
Лабораторная установка является комплексной и позволяет исследовать
анизотропию горных пород, обусловленную различными причинами:
1. Анизотропия, связанная с анизотропией кристаллитов, исследуется с помощью измерения скоростей продольных волн по трем взаимно
перпендикулярным граням образцов мрамора и сильвинита (рис. 2.3).
2. Анизотропия массива, обусловленная действием трещиноватости, исследуется на плоской модели, состоящей из тонкого листа
плексигласа, плоскость которого пересечена системой параллельных
трещин (рис. 2.4).
Рис. 2.3. Определение коэффициента Ka на образцах мрамора
и сильвинита (И – излучатель, П – приемник)
Рис. 2.4. Определение коэффициента Ka и построение
индикатрисы скоростей трещиноватого массива
21
3. Анизотропия мелкослоистого массива исследуется на модели,
Р
состоящей из набора тонких пластин из дюралюминия и плексигласа,
последовательно чередующихся в данном наборе (рис. 2.5).
Скорость распространения упругих волн в различных направлениях в указанных установках измеряется с помощью УЗ прибора
УКБ-1М с применением преобразователей с собственной частотой
f
= 60 кГц.
0
Рис. 2.5. Определение коэффициента Ka на модели мелкослоистого
массива (И – излучатель, П – приемник)
2.4. Порядок выполнения
2.4.1. Определение коэффициента анизотропии
на образцах сильвинита и мрамора
1. Измерить время распространения продольных волн вдоль трех
граней образца из сильвинита, линейкой измерить расстояние между
излучателем и приемником в каждом случае.
2. Провести аналогичные измерения на образцах из мрамора. Результаты занести в табл. 2.1.
Таблица 2.1
Время распростране-
Образец
Сильвинит
Мрамор
22
ния t , мкс
1 2 3 1 2 3 1 2 3
Длина базы измерений l,
мм
Скорость продольной
волны C
, м/с
i
3. Вычислить и занести в табл. 2.1 скорости продольных волн Cpi
Р
Р
P
||
Р
┴
Р
Р
для соответствующих направлений и образцов.
2.4.2. Изучение анизотропии, обусловленной
трещиноватостью
1. Измерения проводятся на плоской модели трещиноватой среды
в виде тонкого листа плексигласа с системой трещин. Измерения
производят по четырехшпуровой схеме, изображенной на рис. 2.4. В
каждом положении измеряется время распространения первого вступления волнового импульса t
и базу прозвучивания li (расстояние от ис-
i
точника до приемника). Результаты измерений заносятся в табл. 2.2.
2. Производятся вычисления скоростей продольных волн C
для
Рi
всех направлений.
Таблица 2.2
Вид измерений ti, мкс li, м C
С
0
С
1
С
2
С
3
С
4
С
5
, м/с
i
2.4.3. Изучение анизотропии мелкослоистого массива
Измерения проводятся на модели мелкослоистой среды, составленной из чередующихся тонких пластин из дюралюминия и плексигласа (см. рис. 2.5):
1. Измеряется время распространения первого вступления волно-
вого импульса вдоль слоев t
и перпендикулярно слоям t
P||
P ┴
.
2. Измеряется время распространения первого вступления вдоль
каждой одиночной пластины из дюралюминия t
и плексигласа t
P 1
P 2
.
3. Производится вычисление всех соответствующих скоростей
продольных волн C
.
Рi
Результаты измерений заносятся в табл. 2.3.
Таблица 2.3
Вид измерений ti, мкс li, мм С
С
С
C
1
C
2
, м/с
i
23
2.5. Обработка результатов
По результатам табл. 2.1–2.3 вычислить коэффициент анизотропии K
ных волн С
, принимая в качестве основного параметра скорости продоль-
a
Pmax
и С
Pmin
.
По результатам расчетов по формулам (2.3), (2.4) построить индикатрису распределения скоростей в модели трещиноватого массива.
По виду получившейся индикатрисы определить азимут трещиноватости φ, сравнить его с реальным азимутом системы трещин модели.
Вычислить абсолютную погрешность определения азимута φ.
2.6. Оформление отчета
1. Начертить общий вид исследуемых моделей и схем измерения
скоростей.
2. Представить результаты измерений и расчетов по каждому
пункту исследований в виде табл. 2.1–2.3.
3. Выписать рассчитанные K
для всех типов анизотропии.
а
4. Представить индикатрису скоростей для трещиноватой среды с
указанием на ней направления трещин. Отметить абсолютную погрешность определения азимута трещин φ.
2.7. Тестовые задания для самопроверки
1. Анизотропия – это:
а) степень неоднородности материала;
б) показатель отношения максимальной скорости продольной
волны к минимальной;
г) зависимость свойств среды от направления;
д) слоистость среды.
2. Акустический коэффициент анизотропии можно найти:
а) разделив максимальную измеренную скорость продольной вол-
ны на минимальную;
б) произведя вычитание максимальной измеренной скорости про-
дольной волны из минимальной
;
в) из соотношения времен задержек сигналов в различных на-
правлениях;
г) перемножив скорости продольных волн, измеренных в перпен-
дикулярных направлениях;
24
3. Какое из свойств породного массива не приводит к возникнове-
нию анизотропии акустических свойств в нем?
а) слоистое залегание различных пород;
б) высокая степень зернистости пород;
в) сложнонапряженное состояние массива;
г) присутствие ориентированных систем трещин.
4. Индикатриса скоростей продольных волн представляется в виде:
а) азимута определяющей системы трещин;
б) треугольника с указанием
всех измеренных скоростей;
в) эллипса;
г) таблицы измеренных скоростей по шести направлениям.
5. Скорость вдоль слоев мелкослоистого массива С
сится со скоростью в наиболее плотном слое C
а) C
б) C
в) C
Pmax
Pmax
Pmax
>> С
< С
≈ С
;
PII
;
PII
;
PII
Pmax
:
так соотно-
PII
г) не связаны между собой.
6. Из полученной индикатрисы скоростей можно определить:
а) азимут определяющей системы трещин и коэффициент анизо-
тропии;
б) азимут определяющей системы трещин и плотность среды;
в) скорость продольной волны в среде;
г) ничего из вышеперечисленного.
7. Коэффициент K
теоретически может изменяться в следующих
a
пределах:
а) K
[–∞; +∞];
a
б) K
[–1; +1];
a
в) K
[0; 1];
a
[1; +∞].
г) K
a
25
Лабораторная работа 3
N
ИЗУЧЕНИЕ МЕТОДИКИ ОПРЕДЕЛЕНИЯ
ПАРАМЕТРОВ ТРЕЩИНОВАТОСТИ МАССИВА
ГОРНЫХ ПОРОД КОМПЛЕКСНЫМ
АКУСТИЧЕСКИМ МЕТОДОМ
Цель работы. На основании лабораторных и модельных исследо-
ваний ознакомиться с основными этапами и методиками определения трещиноватости массива горных пород и изучить некоторые акустические свойства трещиноватой среды.
3.1. Общие сведения
Количественно трещиноватость массива горных пород определяется рядом параметров, к основным из которых с точки зрения важности их использования для решения технологических задач, в частности, для оптимизации проектирования буровзрывных работ в условиях карьеров, можно отнести следующие:
1. Степень трещиноватости системы трещин по i-му направлению
где
d – раскрытие трещин; Н – расстояние между трещинами в i-м
направлении.
2. Объемная степень трещиноватости (трещинная пустотность)
i
ndH (3.1)
/,
тр
3
ii
.
n
(3.2)
тр
i
1
3. Степень анизотропии трещиноватой среды, определяемая ко-
эффициентом анизотропии
где С
, С┴ – скорости продольных волн соответственно вдоль и пер-
||
KCC
/,
(3.3)
||
a
пендикулярно направлению определяющей системы трещин.
4. Направление определяющей системы трещин – угол < φ отно-
сительно выбранного азимута наблюдений.
Степень трещиноватости определяется на основании экспериментально измеренного акустического показателя трещиноватости:
26
2
i
где
C – скорость продольных волн в трещиноватой среде, измерен-
м
А CC (3.4)
ная в i-м направлении интервальная скорость; С
i
(/),
м 0
i
– скорость про-
0
дольных волн в отдельности, т.е. в образце, в котором отсутствуют
трещины исследуемого порядка.
Скорость С
измеряется в лаборатории на образцах по методике
0
прозвучивания. При этом размеры образцов должны удовлетворять
следующим требованиям:
D ≥ 2,5λ
; l ≥ (2…4)λР; λР = CР/f
Р
, (3.5)
обр
где D – диаметр цилиндрического образца или поперечный размер
призматического образца; l – длина образца; λ
волны в образце; f
– частота излучаемой в образец волны; СР –
обр
– длина продольной
Р
скорость продольной волны в образце.
Собственная частота излучателя f
должна быть выше частоты f
0
oбp
определяемой из условия (3.5).
Скорость
i
C измеряется непосредственно в условиях трещинова-
м
того массива по методике сейсмического продольного профилирования. Сейсмические профили разбиваются на рабочей площадке уступа, сейсмоприемники устанавливаются вертикально на конечных и
средних точках профиля. В качестве источников упругих импульсов
чаще всего используют удары тяжелым молотком по стальной пластине, закрепленной на уступе. Удары наносятся
по оси профиля,
начиная от приемника с фиксированным шагом вплоть до конечной
точки. В целях повышения точности обычно производят так называемое накопление сигнала – многократное измерение в одной точке
с последующим усреднением полученного результата. Результаты
профилирования представляют в виде годографов – графиков зави-
симости времени прохождения продольной волны от расстояния между источником и приемником акустического сигнала. С точки зрения методики реализации различают следующие типы годографов:
1. Прямой годограф строится путем перемещения точек возбуж-
дения от приемной аппаратуры к концу профиля.
2. Обратный годограф получают путем перемещения точек возбуж-
дения от конца профиля к месту расположения приемной аппаратуры.
3. Опережающий годограф аналогичен
прямому. Отличие заключается в том, что начальную точку смещают вперед вдоль профиля
на некоторый фиксированный шаг.
,
27
При известной Аi для каждого участка профиля рассчитывают
i
nm
тр
1
A
(3.6)
1,
i
где m = Е
/ Е1 – отношение упругостей заполнителя трещин и поро-
2
ды (отдельности).
Степень анизотропии свойств трещиноватой среды определяется с
помощью коэффициента анизотропии скоростей (3.3), который, в свою
очередь, определяет индикатрису скоростей, имеющую форму эллипса
с главной осью в направлении определяющей системы трещин
СС K
() 0
/1( 1)sin ,
22
a
(3.7)
где α – азимут наблюдений.
3.2. Контрольные вопросы
1. Чем определяется трещиноватость массива горных пород?
2. Опишите методику оценки трещиноватости в массиве акусти-
ческим методом.
3. Что такое годограф?
4. Какие типы годографов вы можете назвать?
5. Что такое акустический показатель трещиноватости?
6. Исходя из каких условий выбирают преобразователи для опре-
деления скорости продольной волны в отдельности?
3.3. Описание лабораторной установки
1. Измерения скоростей в отдельности проводятся на нескольких кубических образцах из мрамора с помощью прибора УКБ-1М по схеме,
подробно описанной в лаб. работе 2 (см. рис. 2.3). В качестве излучателя
и приемника предлагается несколько пар преобразователей с различными частотами f
димо самостоятельно выбрать требуемую пару преобразователей.
2. Измерения интервальных скоростей проводятся методом продольного профилирования на модели неоднородного массива. В качестве модели используется конструкция, состоящая из двух толстых
пластин (мраморной и плексигласовой), склеенных друг с другом и покрытых сверху однородным слоем из тонкого
качестве излучателя и приемника используются стандартные пьезо-
. Согласно условию (3.5) в процессе измерения необхо-
0
плексигласа (рис. 3.1). В
28
преобразователи с собственной частотой f0 = 60 кГц. Измерения вре-
мени распространения продольной волны производится с помощью
прибора УКБ-1М. Пример построения различных типов годографов
приведен на рис. 3.2.
Рис. 3.1. Продольное профилирование для построения годографов
(И – излучатель, П – приемник)
t
2
t1
X, см
X
1
Рис. 3.2. Построение прямого, обратного и прямого
опережающего годографов
X
2
3. При определении степени анизотропии слоистой среды в качестве модели используется прямоугольная пластина, склеенная из отдельных плексигласовых призм (рис. 3.3). Измерения скорости продольных волн производятся с помощью прибора УКБ-1М и преобразователей с собственной частотой f
= 25 кГц. Измерения производят
0
по нанесенной на модель сетке.
29
P
Рис. 3.3. Определение степени анизотропии среды
(И – излучатель, П – приемник)
3.4. Порядок выполнения
3.4.1. Измерение скорости в отдельности С0
На каждом образце провести по три измерения времени распространения продольной волны, линейкой измерить расстояние между
источником и приемником УЗ сигнала, вычислить скорости продольных волн С
№
образца
1
2
3
. Результаты измерений записать в табл. 3.1.
p
Длина грани
образца, мм
Время распространения
t, мкс
Таблица 3.1
Скорость продольной
волны СР, м/с
3.4.2. Определение интервальных скоростей
i
C
м
При получении прямого годографа излучатель располагают на
расстоянии Х
= 5 см от свободного края мраморной пластины, а
0
приемник с шагом ΔX = 5 см передвигают вдоль модели от излучателя к противоположному краю модели. При каждом положении приемника X
измеряют время первого вступления волны ti.
i
При получении обратного (встречного) годографа излучатель располагают на другом краю модели и повторяют весь процесс измерения t
.
i
При построении нагоняющих годографов излучатель в начальной
стадии измерений смещают от его предыдущего положения на 15 см
(Х′
= Х0 + 15 см), а далее повторяют все измерения, указанные выше.
0
30
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]