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
П
ΔX
l
l
l
S
l
тр
И
Рис. 4.4. Схема проведения контроля методом ультразвукового
прозвучивания (И – излучатель, П – приемник)
Измерения времени распространения продольных и поперечных
волн и амплитуды продольной волны на модели производятся с помощью прибора УКБ-1М. В качестве преобразователя применяется
стандартный преобразователь из комплекта к данному прибору.
2. Определение глубины открытой трещины, выходящей на поверхность массива, производится на той же модели путем акустических измерений на
торцевой фронтальной части гранитной плиты (рис. 4.5).
П
И
Рис. 4.5. Схема измерений для определения глубины раскрытой
трещины (И – излучатель, П – приемник)
4.4. Порядок выполнения
4.4.1. Определение положения и протяженности
трещин методом теневого прозвучивания
Измерения проводятся на объемной модели массива по методике
теневого прозвучивания. Ультразвуковые преобразователи, контакт-
41
ная поверхность которых предварительно смазывается вазелином,
соосно прижимаются к модели (см. рис. 4.1) и синхронно перемещаются вдоль поверхности с шагом ΔX = 1 см при условии создания
надежного и постоянного контакта преобразователей с поверхностью
плиты.
В каждой точке с координатой X
пления волны t(X
волны А(X
).
i
) и амплитуда первого положительного вступления
i
измеряются время первого всту-
i
Амплитуда первого положительного вступления измеряется с помощью прибора УКБ-1М следующим образом. Излучающий и приемный преобразователи располагают соосно в положении X
в начале
1
профиля и плотно прижимают к модели. Управляя ослаблением и
разверткой времени добиваются того, что бы на экране было явно
видно первое вступление продольной волны. Далее, с помощью регулятора «
УСИЛЕНИЕ» добиваются того, чтобы максимум первого
положительного вступления совпал с верхней ограничительной линией на экране прибора (рис. 4.6). Записывают начальное значение
ослабления в тетрадь. Последующие измерения амплитуд А(X
) про-
i
изводят путем выставления значений ослабления таким образом, что
бы максимум первого положительного вступления продольной волны касался верхней ограничительной линии. При этом положение
регулятора «УСИЛЕНИЕ»
не изменяют! За значение амплитуды
принимают разность ослаблений при первом и i-м измерениях.
42
Рис. 4.6. Настройка усиления сигнала для измерения
амплитуд первых вступлений на приборе УКБ-1М
В дополнение к измеренным динамическим и кинематическим
P
р
параметрам продольной волны измеряют базу прозвучивания l
также местоположение начала трещины l
, измеренное относительно
тр
б
, а
начала профиля (см. рис. 4.1). По результатам измеренных значений
и tРi рассчитывают скорости продольных волн CPi для каждого по-
l
б
ложения преобразователей X
по формуле
i
C
= lб / tРi. (4.11)
Pi
Результаты измерений заносятся в табл. 4.1.
Таблица 4.1
№ измерений Xi, см tР, мкс C
1
2
…
29
30
, м/с А , дБ lб, см l
i
т
, см
4.4.2. Определение глубины раскрытой трещины
методом поверхностного прозвучивания
Излучатель и приемник УЗ импульсов устанавливают на фронтальной поверхности гранитной плиты так, что бы расстояния от
трещины до каждого из преобразователей составляло расстояния l/2
(см. рис. 4.2). С помощью УЗ прибора УКБ-1М производят измерение времени прохождения продольной волны t
для разных значений
б
l. Результаты измерений заносят в табл. 4.2. Далее, на той же поверхности плиты находят место, где видимые дефекты отсутствуют и
производят аналогичные измерения времен t
Результаты измерений t
l, см t
10
12
14
также заносят в табл. 4.2.
0
, мкс t0, мкс
б
на базах l (см. рис. 4.2).
0
Таблица. 4.2
4.5. Обработка результатов
По результатам табл. 4.1 построить графики зависимости СР(Х) и
А(Х). На построенных графиках выделить зоны, соответствующие
результатам измерений в бездефектной зоне (без трещины) и в дефектной зоне (с трещиной). Граница зон определяется по резкому
43
изменению информативного параметра. В пределах каждой зоны
P
найти среднее значение скорости С
n
1
CC
ср
n
1
i
и амплитуды Aср из выражений
ср
n
;
i
1
АА
ср
n
,
(4.12)
i
i
1
где n – число измерений.
По графикам С
трещины
l , находящейся на границе бездефектной и дефектной
тр
зон. Вычислить относительную погрешность δl
(Х) и А(Х) определить местоположение начала
Р
, %, определения
тр
координаты начала трещины из формулы
ll
тр тр
l
(4.13)
тр
100.
l
тр
По результатам измерений, занесенных в табл. 4.2, произвести
В
расчет коэффициентов
по формуле (4.7) и глубины трещины S
K
деф
(выражение (4.9)).
4.6. Оформление отчета
1. Представить результаты измерений и расчетов по каждому
пункту исследований в виде табл. 4.1
2. Построить графики С
(Х) и А(Х), указать дефектные и безде-
Р
фектные зоны.
3. Представить рассчитанные значения С
, Aср и δlтр.
ср
4. Представить значение S глубины трещины.
4.7. Тестовые задания для самопроверки
1. К кинематическим характеристикам сигнала не относится:
а) скорость продольных волн в среде;
б) фазовая скорость;
в) энергия сигнала;
г) время первого вступления.
2. К динамическим характеристикам не относится:
а) спектральная плотность сигнала;
б) коэффициент затухания;
в) амплитуда первого вступления;
г) период колебания продольной волны.
44
3. Метод, используемый для определения наличия трещины в на-
стоящей работе относится:
а) к теневым методам;
б) эхо-импульсным методам;
в) акустическому каротажу;
г) продольному профилированию на свободной поверхности.
4. Для определения глубины трещины, выходящей на свободную
поверхность, необходимо знать:
а) скорость продольной волны в среде и базу измерения;
б) базу измерения
, время распространения в среде с трещиной и
без нее;
в) отношения времен прохождения продольной волны в среде с
трещиной и без нее;
г) расстояние между преобразователями и время распространения
продольной волны.
5. Расположение трещины при теневом прозвучивании определяют:
а) по резкому падению амплитуды и возрастанию скорости продольной волны;
б) резкому
возрастанию амплитуды и скорости продольной волны;
в) резкому падению амплитуды и скорости продольной волны;
г) резкому возрастанию амплитуды и падению скорости продоль-
ной волны.
6. При прозвучивании со свободной поверхности точность опре-
деления глубины трещины существенно снижается в случае если:
а) трещина имеет большое раскрытие;
б) берега трещины не параллельны друг
другу;
в) трещина имеет значительную протяженности на свободной по-
верхности;
г) трещина сомкнута или заполнена однородным материалом.
7. Непостоянство результатов, связанных с использованием дина-
мического информативного параметра связана:
а) с неравномерностью силы прижима преобразователей;
б) неравномерностью нанесения контактной жидкости;
в) разным качеством поверхности объекта контроля в точках кон-
троля;
г) всем
выше перечисленным.
45
Лабораторная работа 5
СЕЙСМОАКУСТИЧЕСКИЙ ПРОГНОЗ
ГОРНЫХ УДАРОВ
Цель работы. Ознакомиться с принципами регионального про-
гноза горных ударов, с системами сейсмоакустического прогноза и
методиками оценки основных характеристик динамических явлений
в массиве горных пород.
5.1. Общие сведения
Основным и наиболее эффективным методом прогноза горных
ударов является региональный прогноз, позволяющий получать информацию о динамических явлениях в массиве горных пород на достаточно большой площади, охватывающей, как правило, все разрабатываемое месторождение полезного ископаемого.
В ряде случаев проявление крупных горных ударов регионального
типа охватывает тысячи квадратных метров площади угольных
и рудных залежей. Такие крупные динамические явления возникают
по разным причинам, главные из которых: участие в формировании
очагов напряженного состояния нетронутого массива (современное
тектоническое поле) и дополнительных напряжений, вызванных перераспределением горного давления в результате развития горных
работ на значительной площади и на большую глубину.
В соответствии с принятыми
никают тогда, когда приток энергии к данному участку массива горных пород (целик, краевая часть пласта, блок и т.п.) превосходит
энергию, поглощаемую в нем. Избыток поступающей энергии расходуется при этом на ускорение процесса деформирования массива в
форме горного удара.
К основным параметрам, по которым осуществляется
ный прогноз удароопасности участков шахт и месторождений, относят: уровень сейсмической активности, наклон графиков повторяемости и скорость распространения сейсмических волн.
Под уровнем сейсмической активности понимают число динамических явлений, происходящих за определенный промежуток времени в фиксированном объеме массива горных пород при заданном
значении энергетических уровней.
Основными задачами
являются:
46
при региональном прогнозе горных ударов
представлениями горные удары воз-
пластов
региональ-
– вычисление координат произошедших горных ударов;
– определение сейсмической энергии горных ударов;
– определение скоростей сейсмических волн в удароопасном мас-
сиве горных пород.
Знание скоростных характеристик массива горных пород определяет точность вычисления координат очагов горных ударов. Для определения скоростей сейсмических волн обычно используют различные технологические и специальные взрывы в
шахте. Количество ВВ
этих взрывов колеблется от 30…40 до 1500 кг и более. Характер
взрывов также различен: камуфлетное взрывание в целях разгрузки
массива, отбойка руды, посадка кровли и др. Взрывы производятся с
передачей на центральную сейсмическую станцию момента взрыва с
точностью не ниже 0,001 с.
При этом регистрируют время вступлений продольных волн в каждой
точке наблюдения. Скорость продольных волн в каждой точке наблюдения С
где x
ты очага взрыва; t
, в массиве горных пород определяют следующим образом:
Pi
()( )()
C
Pi
, yi, zi – координаты i-й точки наблюдения; x0, y0, z0 – координа-
i
xx yy zz
– время начала удара в очаге; tPi – время прихода
0
222
iii
000
tt
Pi
0
(5.1)
,
продольной волны в точку наблюдения.
5.1.1. Вычисление координат очагов горных ударов
Для определения координат очага горного удара в плоскости продуктивного пласта может применяться метод первых вступлений. В
этом случае измеряют время до первого вступления t
на записях
Pi
волновых процессов, зарегистрированных в нескольких i-х точках
наблюдения (4–5 точек). Время вступления t
, полученное в бли-
min
жайшей к произошедшему динамическому явлению точке (определяется по минимальному значению t
), принимается за базовое – t1.
i
Умножая скорость продольных волн на разность времени получают радиус эпицентралъных расстояний i-й и ближайшей к очагу
точек r
плане исследуемого участка с радиусами соответственно r
. Далее проводят окружности из каждой точки наблюдения на
i
, исключая
i
базовую точку. После этого проводится вписанная окружность, которая должна касаться всех уже проведенных окружностей и проходить через базовую точку наблюдения. Тогда центр этой вписанной
окружности и будет являться точкой, в которой произошло динами-
47
ческое явление (рис. 5.1). Точное решение задачи по построению
центра вписанной окружности, так называемая задача Аполлония,
достаточно громоздка и поэтому, как правило, окружность строят
приблизительно.
Рис. 5.1. Нахождение очага горного удара
методом эпицентральных окружностей
5.1.2. Определение сейсмической энергии горных ударов
Сейсмическую энергию определяют с учетом колебаний продольных и поперечных волн. В этом случае формула для сейсмической
энергии имеет вид:
22 2
ERCACA
где R – расстояние от очага до каждой точки наблюдения; С
рости волн; A
волн; τ
и τS – длительность цугов продольной и поперечной волн.
P
и AVS – амплитуды импульсов продольной и поперечной
VP
2( ),
(5.2)
SVSS PVPP
и CS – ско-
P
Для быстрого определения сейсмической энергии горного удара
используют корреляционную зависимость сейсмической энергии от
полной длительности записи на сейсмограмме
2, 24 2,76 lg ,K
(5.3)
где K = lgE; τ – усредненная полная длительность, с; Е – сейсмическая энергия, Дж.
48
К числу динамических, характеристик очага относят также значе-
E
ние магнитуды М, тесно связанное с Е:
KM
lg 3,5 2 .
(5.4)
Одна из основных характеристик динамических явлений – их ин-
тенсивность (балльность) I
, которая связана с магнитудой М, эпи-
0
центральным расстоянием Δ и глубиной Н очага общим уравнением
макросейсмического поля:
1, 5 4 l g 4 , 25,IMr
0
(5.5)
где
22
.rH
По результатам определенных за заданный интервал времени
произошедших горных ударов с рассчитанными координатами и
сейсмической энергии в целях определения участков повышенной
опасности возникновения горных ударов строят карты сейсмической
активности. Эти карты – отправной документ при выявлении удароопасных участков в пределах шахтных полей. На рис. 5.2 приведен
пример распределения активности акустических
событий на месторождении урановых руд «Антей» (данные получены И.Ю. Рассказовым, П.А. Аникиным и др.).
Рис. 5.2. Пример распределения активности акустических событий
на месторождении урановых руд «Антей»
49
Для оценки удароопасности массива применяются системы наблюдения, для создания которых используются различные методы,
каждый из которых представляет собой отдельную подсистему. Так,
для изучения природы и механизма горных ударов система должна
включать ряд подсистем, основанных на регистрации сейсмических
процессов и явлений в широком диапазоне частот: микросейсмологическую (1…50 Гц), сейсмическую (50…500 Гц), сейсмоакустиче
скую (50…20 000 Гц), акустическую эмиссию (10 000…200 000 Гц).
Использование подсистем такого широкого диапазона часто позволяет регистрировать горные удары практически любой интенсивности (от 10
2
до 1012 Дж и более).
Для оценки основных параметров в условиях действующих шахт
и рудников необходима специальная аппаратура, которая фиксировала бы сейсмические поля в радиусе до 3…5 км с сейсмической
энергией до 10
2
Дж. Гипоцентральное расстояние и энергия сейсми-
ческого явления определяют частотный диапазон регистрирующего
канала аппаратуры. Установлено, что наиболее оптимальным является диапазон 1…50 Гц. Как и при регистрации землетрясений, прием
и запись всех сигналов при наблюдении за горными ударами должны
производиться непрерывно, так как неизвестно время возникновения
динамических проявлений горного давления. Запись
и воспроизведение сигналов могут выполняться в любом виде, но должны обеспечивать отсчет времени первого вступления сейсмоимпульса с точностью не менее 0,001 с.
-
5.2. Контрольные вопросы
1. Что такое горный удар?
2. Опишите принцип нахождения очага горного удара методом
эпицентральных окружностей.
3. Какое наименьшее количество приемных преобразователей не-
обходимо чтобы определить местоположение очага горного удара в
плоскости?
4. Как определяется сейсмическая энергия горного удара?
5. Перечислите частотные диапазоны регистрации акустических
событий на шахтах и рудниках.
6. В чем разница между
бытия?
50
энергией и магнитудой сейсмического со-
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]