Акустический способ оценки напряженно-деформированного состояния массива горных пород

Акустический способ оценки напряженно-деформированного состояния массива горных пород

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

Изобретение относится к горному .делу и предназначено для контроля состояния массива горных пород на больших глубинах. Цель ивобретения - повьшение достоверности оценки. Из выработки забуривают три параллельHbie скважины в вершинах прямоугольного треугольника. Осуществляют межскважинное ультразвуковое прозвучивание массива в нескольких направлениях . Периодически измеряют время пробега продольной волны в окрестности выработки между скважинами в трех плоскостях. Измерения проводят с помощью двух неподвижных датчиков и одного подвижного, одновременно размещаемых в различных скважинах, с последовательным изменением подвижности датчиков. Определяют изменения величины и направления осей эллипсоида анизотропии скорости и по ним судят о характере деформирования массива. Дополнительно проводят акустический каротаж скважины. Определяют изменение скорости продольных волн по глубине и время их распространения по ф-ле с учетом поправок, 1 з.п. ф-лы, 5 ил. (Л с

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

COtjHAЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИК

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н АВТОРСКОМ,Ф СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ (21) 4146701!22-03 (22) 28. 07. 86 (Аб} 15.06.88. Бюл. У 22 (71) Норильский горно-металлургический комбинат им. A.Ï.Завенягина (72) С. С. Шаталов и С.В. Бойко (53) б22. 289 (088.8) (5б) Авторское свидетельство СССР

11 1059181, кл. Е 21 С 39/00, 1983.

Ямщиков В.С. Методы и средства исследования и контроля горных нород и процессов. M. Недра, 1982,. с. с. 14Î- 142 ° (54),АКУСТИЧЕСКИЙ СПОСОБ ОЦЕНКИ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ

МАССИВА ГОРНЫХ ПОРОД (57) Изобретение относится к горному

:делу и предназначено для контроля состояния массива горных пород на больших глубинах. Цель иаобретения— повышение достоверности оценки. Из выработки забуривают три параллель„„SU„„1402661 А 1 (51) 4 Е 21 С 39/00 ные скважины в вершинах прямоугольного треугольника. Осуществляют межскважинное ультразвуковое прозвучивание массива в нескольких направлениях. Периодически измеряют время пробега продольной волны в окрестности выработки между скважинами в трех плоскостях. Измерения проводят с помощью двух неподвижных датчиков и одного подвижного, одновременно размещаемых в различных скважинах, с последовательным изменением подвижности датчиков. Определяют изменения величины и направления осей эллипсоида анизотропии скорости и по ним судят о характере деформирования массива. Дополнительно проводят акустический каротаж скважины. Определяют изменение скорости продольных волн по глубине и время их распространения по ф-ле с учетом поправок. з.п. ф-лы, 5 ил.

1402667 соида скорости относительно координатных осей с положи1 !

Изобретение относится к горному дЕлу и предназначено для контроля состояния массива горных пород на больших глубинах.

Целью изобретения является повыше5 ние достоверности оценки напряженнод еформированного состояния массива.

На фиг. 1 и 2 показаны схемы перемещения датчиков в скважинах с последовательным изменением подвижности датчиков при межскважинном прозвуивании массива горных пород; на иг. 3 — схема для определения велиины и направления промежуточной си эллипсоида анизотропии скорости аспространения продольной волны, на иг. 4 — изменение величины и направления осей эллипсоида анизотропии

Скорости в окрестности выработки в начальном цикле измерений при наблюдениях за смещением массива горных пород в выработку; на фиг. 5 — изменение величины и направления осей эллипсоида анизотропии скорости в окрест- 25 фости.выработки в последующем цикле

Измерений. ! Способ осуществляют следующим образом

Из выработки забуривают три параллельные скважины 1-3 в вершинах прямоугольного треугольника. ИежскваЖинное ультразвуковое прозвучивание осуществляют при помощи комплекта ультразвукового оборудования. Периодическое измерение времени пробега

Продольной волны в окрестности выработки производят между скважинами 1-.3 н трех плоскостях ZH ХН, 45 при помощи взаимозаменяемых датчиков 4.

При этом измерение времени пробега продольной волны при межскважинном прозвучивании производят от двух неподвижных датчиков 4 до одного подвижного датчика 4 °

Изменение подвижности датчиков 4 45 производят с шагом, соответствующим интервалу перемещения подвижного датчика 4 относительно неподвижного датчика 4 по длине скважин 1-3, при этом осуществляют измерения глубины погру- 50 жения датчиков 4 в скважинах 1-3.

После проведения межскважинного ультразвукового прозвучивания массива дополнительно можно производить акустический каротаж скважин 1-3, по дан- 55 ным которого определяют изменения скорости продольных волн по глубине скважин, а время распространения продольных волн при межскважинном прозвучивании определяют с учетом поправок определяемых по формуле

d t, = — p (H „- Н„), с, где р+ — коэффициент, учитывающий изменения скорости продольных волн по глубине скважин

Нн — глубина погружения неподвижного датчика в скважину, м, Н вЂ” глубина погружения подвижного датчика в скважину, м.

По определенным значениям времени распространения продольных волн строят векторные диаграммы скоростей в плоскостях скважин 1-3 и определяют по ним. величины и направления осей эллипсоида анизотропии скоростей.

Определение осей эллипсоида анизотропии скорости начинают с определения величины и направления максимальной оси эллипсоида. В системе координат, показанной на фиг. 3, направление и величину максимальной оси эллипсоида вычисляют по следующим формулам:

sinarctg()

tg (нх

c(gg = агсг. К

tg а Н1 Ä1i

$inarctg(» "" + I,„)

t gñ(íx Мн агс$1п (0(1н со$0(н )

< (Ч» V2xvaxc cos o 1ï )

V2 cos a V Ä «,sin 1п где „,a < Ы,„- углы, характеризую щие направление максимальной оси эллиптельным направлением; значение величины скорости в направлении максимальной оси эллипсоида;

0(s н, лх — Углы, характеризующие нх направления максимальных осей центральных сечений эллипсоида координатными плоскостями относительно осей Н и Х.

1402667

Ф г к гДе 72, Чх, zх макс 7 мак« мин макс х Ми!(!

Величину муле макс 7М((н

25

35 н, = н,, =Н,+

1х

COS с1 qõ COS о(1н

СОЯс(1х СОЯ с(» СОЯ с112 макс к м((н

Н =Н„+

1х

cos с(cos d < где Н, — глубина погружения неподвижного датчика, сов1х х, СОЯ(((„С0$ с($2 COS c(» COS с(сг

arccos (12 + х )t 112

cos ((„„cos 8 „ липсоида скорости.

Z ) (" 1,)

COS с(1 )(COS 3

1„+

1х

p = arccos

/ cos Ы хcos of« (1г )г 112

cos 2 с, „со s с(,„

СОЯ 20 к(ж (" )2 ++ н )

СО8 с(х СОЯс(!г СОЯ с(gz осей эллипсоида скорости относительно выбранной при наблюдениях системы координат. Значения углов Эйлера вычисляют по формулам с(((х к " Hz отсчитывают по направлению максимальных осей эллипсов на векторных диаграммах, à e(z„ âû÷èñляют по формуле

V« — значения величины векторов скорости в плоскости Z считанные с векторных диаграмм; величина вектора максимальной скорости в центральном сечении эллипсоида координатной плоскостью Z„.

V вычисляют по форгх макс

V V„cos Ых

2 !(ма Кс 172 СО$2 g !!!2 $1П х гх г 2v.

Определение величины и направления минимальной и промежуточной осей эллипсоида скорости производят по значениям осей центрального сечения эллипсоида плоскостью, перпендикулярной максимальной оси эллипсоида.

Определение осей производят по значениям векторов скорости в точках, положение которых определяют расчетным путем по схеме на фиг. 3 по формулам

Изменение направления осей эллипсоида с удалением от контура выработки представляют углами Эйлера, характеризующего положение вращающихся падающая с центром эллипсоида скорости;

Н, Н вЂ” глуб ина погруже ния подвижнъ х датчиков при прозвучивании массива в плоскости, перпендикулярной направлению мак- . симальной оси эллипсоида;

12, 1„— расстояние между скважинами на глубине Н,.

Величину и направление минимальной и промежуточной осей эллипсоида скорости определяют из решения системы уравнений: (V„„„cos с(+ V,sin А 4

„cosã (d+ ц )+ 72 sinã (c(+ q )1;!

Чг „cos2 ц -8 +Чг sin2 4 -d)) < где V „, Ч",, U — величина значений скорости в плоскости прозвучивания, ! перпендикулярной максимальной оси эллипсоида; углы между векторами скорости соответственно V, V и

Ч, 7 (фиг.3); гол между направлениемм промежуто чной оси эллипсоида скорости и направлением вектора скорости V 2 (фиг. 3); значения величины

% промежуточной и минимальной осей элЗначения углов ц,, (рассчитывают по следующим формулам:., (1х cos2А„

cos (!(„„cos с(1 cos24„

1402667

Н вЂ” Н1

Ч> = arctg

1- х где 6 — характеризует отклонение мак-. симальной оси эллипсоида скорости от координатной оси Z

I (угол нутации); ц — характеризует отклонение промежуточной оси эллипсоида скорости в плоскости, перпендикулярной максимальной оси эллипсоида от линии узлов (угол чистого вращения); отклонение линии узлов от координатной оси Х (угол процессии), Распределение величины скорости в направлении осей эллипсоида, характеризуемое кривыми V„, Ч, Ч (фиг.4), аналогично изменению величины главных направлений в окрестности выработки.. 25

Отсутствие вращения эллипсоида с выходом из зоны нетронутого массива свидетельствует об упругом характере деформирования горных пород в зоне влияния выработки, что дает основание интерпретировать полученное изменение величины и направления осей эллипсоида как изменение величины и направления главных напряжений в исследуемом участке массива. Полученных данных достаточно, например, для оценки степени удароопасности массива по положению максимума концентрации напряжений относительно контура выработки, характеризуемой

40 величиной Н „„, и величины концентрации напряжений в зоне максимума.

Значения величины и направления осей эллипсоида скорости характеризует направление главных напряжений и их соотношение по величине, 1. Акустический способ оценки напряженно-деформированного состояния массива горных пород, включающий межскважинное ультразвуковое прозвучивание массива в нескольких направлениях, измерение времени распространения продольных волн в трех плоскостях и определение величин и направлений осей эллипсоида анизотропии скоростей, по которым судят о направлении главных напряжений, о т— л и ч а ю шийся тем, что, с целью повышения достоверности оценки„ измерения проводят с помощью двух неподвижных датчиков и одного подвижного, одновременно размещаемых в различных скважинах, с последовательным изменением подвижности датчиков, определяют изменения величины и направления осей эллипсоида анизотропии скорости и по ним судят о характере деформирования массива.

2. Способ по п.1, о т л и ч а ю— шийся тем, что дополнительно проводят акустический каротаж скважин, определяют изменения скорости продольных волн по глубине скважин, а время распространения продольных волн при межскважинном прозвучивании определяют с учетом поправок определяемых по формуле

На фиг, 5 представлены результаты повторных ультразвуковых наблюдений во втором цикле измерений через месяц после начального цикла. Распре- 50 деление величины скорости в направлении осей эллипсоида, характеризуемое кривыми V,, Ч, Ч, показывает уменьшение величины скорости в зоне влияния выработки. По изменению направления ooåé эллипсоида скорости выделяют три зоны в интервале глубин

0-2 м, 2-8 м, 8-12 м . По отсутствию изменения величины и направи .ния осей эллипсоида скорости в интервале глубин 8-12 м заключают об отсутствии изменения во внешних нагрузках в окрестности выработки. По изменению величины и направления осей эллипсоида скорости в интервале 2-8 м судят об изменении природы анизотропии скорости в выделенной зоне, Сопоставление величины и направления осей эллипсоида с данными о внешнем поле напряжений в окрестности выработки показывает, что анизотропия скорости продольной волны вызвана образованием трещин при квазипластическом деформировании массива. В интервале 0-2 м образовалась зона разрушения массива горных пород. Положение границ скачкообразного изменения направления осей эллипсоида характеризует границы различного характера деформирования массива горных пород в окрестности выработки.

Ф о р м у л а и з о б р е т е н и я

Ai = — р" (Н „— >I ) с, 1 ф

1!402667 где р+ — коэффициент, учитываюпр и изменения скорости продольных волн по глубине скважин;

H — глубина погружения неподвиж" н ного датчика, м;

Н вЂ” глубина погружения подвижнои го датчика, м.

Произн-по4чигр. пр-тие, г. Ужгород, ул. Проектная,, 4! 402667

BHHHIIH Заказ 2830/20 .

Тираж 459 Подписное