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
5.3. Описание лабораторной установки
Лабораторная установка состоит из плоской пластины, выполненной из пластмассы, которая моделирует массив горных пород, в котором наблюдаются геодинамические явления в виде горного удара.
Горный удар моделируется с помощью пьезоэлектрического преобразователя (ПЭП), расположенного над пластиной, который плотно
прижат к ее поверхности. Место расположения преобразователя задается преподавателем.
Пункты наблюдения
емным ультразвуковым (УЗ) пьезопреобразователем, аналогичным
излучающему. Точки наблюдения отмечены преподавателем на
внешней поверхности листа. В процессе измерений приемный преобразователь помещается в отмеченные точки. Внешний вид модели
показан на рис. 5.3.
Измерения параметров горного удара и характеристик массива
горных пород проводятся с использованием аппаратуры УКБ-1М и
стандартных ПЭП, входящих в комплект данной аппаратуры.
сейсмической станции моделируются при-
Рис. 5.3. Модель лабораторной установки
(И – излучатель, П – приемник)
5.4. Порядок выполнения работы
5.4.1. Определение координаты горного удара
1. В точки, заранее заданные преподавателем, последовательно
помещается приемный преобразователь и в каждой i-й точке измеряется время распространения первого вступления продольной волны.
Линейкой измеряют координаты (х
и уi) каждой i-й точки.
i
51
2. На линейном профиле на расстоянии (l1 = 30 см и l2 = 40 см) из-
x
x
P
P
меряется среднее значение скорости продольной волны в исследуемом массиве С
.
Р
3. Результаты измерений заносятся в табл. 5.1.
Таблица 5.1
№ точек
наблюде-
ния
1
2
3
4
5
Координаты
точек, см
хi yi
Время от
удара ti,
мкс
Координаты
взрыва
в
в
y
i
i
Координаты
приемников
п
i
п
y
i
Время от
взрыва ti,
мкс
5.4.2. Оценка сейсмической энергии горного удара
В тех же точках наблюдения в общем волновом импульсе выделяются импульсы продольной и поперечной волн и измеряются: максимальные амплитуды импульса продольной волны А
волны A
, а также длительность этих импульсов τP и τS и длительность
S
и импульса поперечной
P
всего импульса τ. Результаты измерений заносятся в табл. 5.2.
Таблица 5.2
№ точек
наблюде-
ния
1
2
3
4
5
нач
t , мкс
P S
кон
t , мкс
Тип волны Общая дли-
тельность
АР, дБ
нач
t , мкс
S
кон
t , мкс
S
АS, дБ
импульса τ,
мкс
5.5. Обработка результатов
По результатам измерений, занесенным в табл. 5.1, рассчитать радиусы эпицентральных окружностей
где С
– скорость продольной волны, определенная на линейном
P
профиле; t
– время первого вступления, полученное на ближайшем к
1
rCt t
очагу преобразователе.
52
(),
iPPi
(5.4)
1
На миллиметровой бумаге задать координатные оси и отметить
x
P
P
P
местоположение точек приема. От отмеченных точек отложить соответствующие радиусы r
. Начертить вписанную окружность, которая
i
должна касаться всех уже проведенных окружностей (см. рис. 5.1).
Центр этой окружности и будет являться определенным местоположением очага горного удара. Вычислить относительные погрешности
δ, %, определения координаты очага по оси x и y:
yy
xx
x
100,
(5.5)
100;
y
y
где x и y – реальное местоположение очага горного удара; x′ и y′ –
координаты очага, определенные методом эпицентральных окружностей.
Вычислить длительности импульсов продольной
нач
ной
t волн:
Si
имп кон нач
ttt
iPiPi
имп кон нач
;
ttt (5.6)
Si Si Si
.
имп
t и попереч-
i
Вычислить скорости продольных С
– расстояние от очага до i-го приемника, определяемое из чер-
где R
i
CRt
iiPi
нач
/;
и поперечных СS волн
P
нач
CRt (5.7)
Si i Si
/,
тежа.
По формуле (5.2) вычисляют сейсмическую энергию горного уда-
ра, плотность материала принять ρ = 1400 кг/м
3
.
5.6. Оформление отчета
1. Представить результаты измерений в виде табл. 5.1 и 5.2.
2. На миллиметровой бумаге представить чертеж определения ме-
стоположения очага горного удара методом эпицентральных окружностей.
3. Представить рассчитанные значения δx, δy, C
, CS, E.
P
5.7. Тестовые задания для самопроверки
1. Основной причиной горного удара принято считать:
а) перераспределение горного давления в результате развития
горных работ;
б) смещение зоны опорного давления вглубь массива;
53
в) увеличение количества акустических событий в участке массива;
г) приток энергии к массиву.
2. Какое минимальное количество приемных преобразователей
необходимо для локации очага горного удара в плоскости?
а) 2;
б) 3;
в) 4;
г) 5.
3. Под сейсмоакустическим диапазоном частот, кГц, понимают
диапазон:
а) 0,001…0,05;
б) 0,05…0,5;
в) 0,05…20;
г) 10…200.
4. Скорость продольной волны при локации очага горного удара
определяется:
а) продольным прозвучиванием ультразвуковыми сигналами;
б) по результатам измерения скоростей от промышленного взрыва;
в) по анализу распространения акустико-эмиссионных событий;
г) для локации горного удара определение скоростей упругих
волн не требуется.
5. При определении энергии горного удара необходимо знать:
а) амплитуды и скорости продольной и поперечной волн;
б) длительность цугов
продольной и поперечных волн, а также
плотность среды;
в) скорости продольных и поперечных волн, а также длительность
цугов их колебаний;
г) все вышеперечисленное.
6. Для быстрого определения сейсмической энергии горного удара
используют корреляционную зависимость K = 2,24 + 2,76·lgτ, где τ:
а) длительность цуга продольной волны;
б) длительность всего зарегистрированного импульса;
в) период
колебания продольной волны;
г) эмпирический коэффициент, определяемый для месторождения.
7. Бальность динамического явления зависит:
а) от магнитуды события;
б) глубины очага;
в) эпицентрального расстояния;
г) всего вышеперечисленного.
54
Лабораторная работа 6
ОПРЕДЕЛЕНИЕ РАССЛОЕНИЙ
В КОНСТРУКТИВНЫХ ЭЛЕМЕНТАХ ГОРНЫХ
ВЫРАБОТОК АКУСТИЧЕСКИМИ МЕТОДАМИ
Цель работы. Изучить особенности виброакустического метода
определения расслоений в кровле горных выработок и контроля закрепного пространства. Получить критерии определения расслоения
в кровле, ознакомиться с устройством и принципом действия прибора «Прогноз-1».
6.1. Общие сведения
Работоспособность силовой конструкции сооружения (крепи) в
условиях взаимодействия с горным массивом определяется ее механической характеристикой, которая представляет собой зависимость
реакции крепи от перемещения ее контура. Несущая способность
крепи зависит от заполнения закрепного пространства, плотного
контакта крепи с породным обнажением по всему периметру. Определение расслоений и заколов в кровле горных
одной из актуальнейших задач геоакустики. Наличие пустот в заобделочном пространстве приводит к снижению устойчивости крепи,
активизации коррозионных явлений в материале крепи в пустотах и
ослаблению несущей способности.
Решение вышеперечисленных задач возможно применением следующих физических методов контроля: а) эхо-импульсного метода;
б) виброакустического метода.
Эхо-импульсный метод (
стояния закрепного пространства основан на распространении энергии
упругих волн в изучаемой среде. Продольные волны, распространяющиеся в материале крепи, на границе раздела сред с различными импедансами (импеданс – произведение плотности на скорость волны) отражаются. Энергия отраженной волны тем больше, чем больше различаются импедансы («резкие
В случае плоскопараллельной пластины с «резкими» границами
продольная волна испытывает многократные отражения. Данное явление носит название «толщинного резонанса». Амплитуда максимума спектральной кривой зависит от различия импедансов сред на
границе раздела. Примерный вид спектральных кривых для различных ситуаций приведен на рис. 6.1.
метод толщинного резонанса) контроля со-
» границы) на границе раздела.
выработок является
55
Рис. 6.1. Спектральные кривые на различных участках крепи:
а – хороший контакт крепи с закрепным пространством;
б – пустота в заобделочном пространстве; в – дефект крепи
Спектральный анализ такого отраженного сигнала выявит максимум на определенной частоте – частоте толщинного резонанса. Она
определяется по формуле
C
P
fh
, (6.1)
2
где С
– скорость продольных волн; h – толщина слоя.
р
При хорошем контакте крепи с закрепным пространством различие импедансов невелико, поэтому добротность (высота максимума
резонансной кривой) резонансных колебаний мала (см. рис. 6.1, а). В
том случае, если в заобделочном пространстве имеется пустота, различие импедансов сред максимально и добротность резонансных колебаний велика (см.
56
рис. 6.1, б). В отличие от виброакустического
метода, в котором резонансная частота зависит от толщины крепи и
размера контура контакта, в этом методе максимум резонансной кривой зависит лишь от толщины контролируемого материала.
Возбуждение колебаний осуществляется металлическими шариками
различных диаметров (5, 8, 12,5 мм), выбор того или иного шарика определяется предполагаемым размером выявляемых дефектов. С ростом
диаметра шарика увеличивается энергия
возбуждаемых колебаний, что
позволяет контролировать большие толщины, но при этом растет время
взаимодействия (контактное время) шарика с материалом крепи. Увеличение контактного времени ограничивает максимальную частоту возбуждаемых колебаний и, следовательно, минимальную длину волны. С
минимальной длиной волны связан минимальный размер выявляемого
дефекта. Например, для шарика диаметром 5 мм минимальная длина
волны (материал крепи – бетон со скоростью продольных волн 4000 м/с)
составляет приблизительно 70 мм. Соответственно, минимальный горизонтальный размер выявляемого дефекта равен 70 мм.
Прием колебаний, возбужденных в исследуемом материале, осуществляется пьезоэлектрическим преобразователем. Затем сигнал,
преобразованный в цифровой вид, обрабатывается специальными
программами, на экран монитора выводится сигнал в графическом
виде, его спектр
и рассчитанные толщины.
Измерения прибором проводятся по сетке, размер ячейки которой
зависит от размеров исследуемого объекта и требуемой подробности
измерений. Корректировка и настройка прибора осуществляется на
ненарушенном участке конструкции с известной толщиной.
Эхо-метод может использоваться также в следующей разновидности: пьезоэлектрический преобразователь (ПЭП) возбуждает в материале крепи упругие
волны в виде короткого ультразвукового (УЗ)
импульса (зондирующий импульс).
Упругие волны распространяются в изучаемой среде, отражаясь
от границ раздела сред с различными импедансами. Отраженные
волны принимаются ПЭП, по времени распространения упругих
волн определяют координаты дефекта (рис. 6.2).
При хорошем контакте крепи с заобделочным пространством амплитуда донного импульса (отражение от обратной поверхности
крепи) значительно ниже, чем при наличии пустоты в заобделочном
пространстве (см. рис. 6.2, а и в). Контроль крепи на наличие пустот
в заобделочном пространстве и на наличие дефектов проводится
профилированием с определенным шагом, зависящим от размеров
предполагаемых дефектов и заданной подробности исследований.
57
Рис. 6.2. Виды осциллограмм: а – преобразователь над хорошим
контактом крепи с заобделочным пространством; б – преобразователь
над дефектом в крепи; в – преобразователь над пустотой в заобделочном
пространстве
Для контроля эхо-импульсным методом в данном варианте используется дефектоскоп с частотой ультразвуковых колебаний
50…200 кГц, например «Монолит» А-1220. Выбор рабочей частоты
определяется минимальными размерами выявляемых дефектов, глубиной зондирования (толщиной используемой крепи).
В том случае, если толщина обделки сравнима с величиной
«мертвой зоны» дефектоскопа, вид волновой картины более сложен
(рис. 6.3).
58
Рис. 6.3. Примеры сейсмоакустических осциллограмм для вариантов
хорошего (а) и плохого (б) контактов «обделка-грунт»
Обнаружение пустот, расслоений кровли, определение контактных условий железобетонной крепи с основанием возможно с применением виброакустического метода. Этот метод также позволяет
определить наличие и расположение дефектов во фрагментах бетонных конструкций при одностороннем доступе.
Виброакустический метод основан на использовании изгибных
колебаний, возникающих при возбуждении в исследуемой крепи.
Изгибные колебания достаточной
амплитуды возникают на участках
крепи, расположенных над пустотами. Амплитуда, частота и добротность колебаний зависят от контура контакта (рис. 6.4), толщины
крепи и упругих свойств материала крепи. При малых отношениях
h/d выявление изменений амплитуды резонансных колебаний на фоне флуктуаций из-за неоднородности среды затруднительно, требует
59
применения статистической обработки регистрируемого сигнала.
Ширина резонансной кривой зависит от контура контакта, высоты
резонанса (добротность) – от отношения h/d.
Рис. 6.4. Возбуждение колебаний в конструкции в случае нарушения
контакта с основанием (а), при наличии в конструкции внутренних
дефектов (б), в бездефектной конструкции (в). Приведены также
примерные спектрограммы для этих случаев
Выявление пустот и дефектов в крепи проводится профилированием с определенным шагом. В точках контроля устанавливается
пьезоэлектрический датчик, ударом молотка возбуждаются колебания. Сигнал датчика анализируется микропроцессором, на дисплей
прибора выводится таблица уровней спектральной плотности, спектр
и осциллограмма сигнала. Максимум спектра, наблюдаемый в области 100…350 Гц, и высокий уровень спектральной плотности
60
свиде-
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]