автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.11, диссертация на тему:Разработка ультразвукового многочастотного метода и с.. контроля состояния прико.. массива в окрестнос.. ... боток

: од

2 и

МИНИСТЕРСТВО ОБЩЕГО И ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ГОРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

БОЧКА РЕВА Тот

íuKOJiaeena

УДК 551 ^:622.83

РАЗРАБОТКА УЛЬТРАЗВУ* МЕТОДА И Cl СОСТОЯНИЯ ПРИКС В ОКРЕСТНОС

ОМНОГОЧА^ ОТНОГО КОНТРОЛЯ ОГО МАССИВА БОТОК

Специальность: 05.15.11 - "Физич

>рного производства"

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 1997

Работа выполнена в Московском государственном горном университете (МГГУ)

Научный руководитель: докт. техн. наук, проф. Шкуратник В. JI.

Официальные оппоненты:

докт. техн. наук, проф. Кузнецов C.B. докт.техн. наук Данилов В.Н.

Ведущее предприятие: Институт горного дела пм.А.А.Скочинского

на заседании диссертационного Совета К-053.12.05 в Московском государственном горном университете по адресу:

117935 г. Москва, Ленинский пр.. 6

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета

Защита диссертации состоится

'1997 г. в

//

часов

Автореферат разослан "

1997 г.

Ученый секретарь специализированного совета проф., докт. техн. наук

Крюков Г.М.

Зведение

Усложнение условий разработки месторождений полезных иско-таемых, обострение экологических и социально-экономических про-Злсм в горнодобывающих отраслях промышленности привело к воз-)астани1о роли информационного обеспечения всего комплекса горно-ироительных и эксплуатационных работ на горных предприятиях. Эдной из приоритетных задач такого обеспечения является оценка :войств и состояния горных пород вблизи выработок с целью прогноза 'сгопчпвости последних, т.к. именно устойчивость выработок во мно-ом определяй эффективность и безопасность горных работ в целом, и, юсмотря на продолжающееся сокращение добычи твердых полезных !скопаемых, объем проведения выработок остается достаточно значн-ельным. Так, например, только на предприятиях ОАО "Компания Росуголь" протяженность ежегодно сооружаемых подготовительных ¡ыработок превышает 1000 км. Для изучения массива горных пород в »крестноетях выработок широкое распространение получили ультра-вуковыс (УЗ) методы, что объясняется не только наличием устойчивых 1ункциональных и корреляционных связен параметров УЗ сигналов с ажпепшимп свойс1вами и состоянием горных пород, но п высоким ровнем соответствующих разработок, направленных на тсорешче-кое, меюдпческое и аппаратурное обеспечение контроля.

Накопленный опыт использования УЗ методов геоконтроля сви-етельсчвуст о существовании заметного разрыва между их по[енци-льными возможностями и уровнем практической реализации. Одной з главных причин такого положения является тот факт, что УЗ изме-епия в массиве осуществляются на одной рабочей частоте с использо-анпем достаточно узкополосного электроакустического тракта. Это ушествснно ограничивает не только информативность контроля, но и го надежное п., так как не позволяет использовать спектральные ха-актсрпстикп УЗ сигнала в качестве информативных и добиться пеоб-одимой абсолютной чувствительности аппаратуры за счет оптимиза-ин се рабочих частот. Вышесказанное определяет актуальность задачи азрабогки теории электроакустического тракта при многочастотном розвучиваннп горных пород и создания на этой основе ультразвуко-ого меюда и аппаратуры, обеспечивающих повышение информатпв-ос ш п надежности контроля состояния массива вблизи выработок.

Исследования, отраженные в настоящей диссертационной рабо-е, выполнялись автором в соответствии с утвержденным Госкомвузом Ф планом госбюджетных НИР МГГУ по теме "Научное обоснование разработка теории и методов геоконтроля и геомониторинга на енове принципов акустической спектроскопии и эффектов нелинейной кустики" (№ гос. регистрации 01940001434).

Цель диссертационной работы заключается в разработке 1 сорим электроакустического тракта при многочастотном мсжскважшшом прозвучиванпи горных пород и создании на этой базе соогветвую-щего ультразвукового метода и аппаратуры контроля состояния массива вблизи выработок.

Идея работы заключается в дискретной перестройке рабочих частот электроакустического тракта УЗ аппаратуры при использовании одного типа скважинных резонансных пьезопрсобразователсй за счег подключения к последним корректирующих электрических цепей и последующем измерении на этих частотах всего комплекса информативных параметров контроля.

Автором защищаются следующие основные научные положении:

1. Разработана математическая модель электроакустического тракта при мсжскважшшом ультразвуковом прозвучивашш горных пород вблизи выработок, учитывающая влияние частотнозависимого затухания этих пород, характеристики пьезоэлектрических преобразователей и их изменения при подключении электрических корректирующих цепей, обеспечивающих дискретную перестройку резонансной частоты тракта в диапазоне от единиц до нескольких десятков килогерц.

2. Для повышения чувствительности электроакустического тракта на высоких частотах при осуществлении ультразвукового контроля в породах с большим затуханием упругих волн целесообразно использовать пьезопреобразователи, имеющие демпферы с повышенным значением акустического импеданса. При этом увеличение акустического импеданса демпфера в п раз приводит к увеличению чувствительности на верхней рабочей частоте относительно чувствительности на нижней рабочей частоте примерно в л/Й раз.

3. Степень нелинейности частотной зависимости коэффициент опухания растет с увеличением нарушенности прозвучивасмого учаака массива и уменьшением действующих на нем напряжении, что позволяет использовать величину коэффициента при квадратичном члене аналитической аппроксимации указанной зависимости в качестве информативного параметра контроля.

4. При проведении многочастотных ультразвуковых измерений в массиве давление в прижимной пневмосистемс скважинных зондов должно выбираться минимальным из двух последовательных значении, при которых попарное отношение амплитуд сигналов, измеренных на всех рабочих частотах, остается неизменным.

5. Измерение времени распространения упругих волн в породах с большим коэффициентом затухания необходимо осуществлять на

нескольких последовательных рабочих частых, принимая и качестве истинног о значения результат, полученный па максимальной из этих частот /; при условии, что он отличается от резулькиа па частоте/./ не более, чем на ДI = 1/4

Автором защищаются также принципы построения улырашоковой многочастотной аппаратуры геоконтроля, обеспечивающей авт-матическое измерение всего комплекса известных информашвных параметров при использовании импульсных и шумовых продольных упругих воли для прозвучиванпя и каротажа горных порол вблпш выработок.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается:

• удовлетворительной сходимостью рассчитанных теоретически и измеренных экспериментально (на моделях, образцах и в шах I пых условиях) характеристик и параметров элскфоакусшчсского факт при межскважинпом ультразвуковом прозвучпваппп горных пород околовыработочного пространства (максимальная погрешпоеи. но всему комплексу характеристик и парамсфов пс прсвышас1 8'\.);

• хорошей воспроизводимостью установленных закономерное 1ей изменения информативных параметров контроля под влиянием нарушенное™ и напряженного состояния горных пород при мпот-кратш»1Х (более 30) контрольных измерениях;

• положительными результатами испытании разработанною метла и аппаратуры контроля в шахтных условиях.

Научное значение работы заключается в получении формулы электроакустического тракта при межскважинпом прозвучпваппп I ор-ных пород, учитывающей влияние электрических коррскшр>ющпх цепей и волнового сопротивления демпферов пьезонреобразова!слеп на их амплитудно-частотные характеристики, а также в усыновлении взаимосвязи между степенью ислппеппос1и часюмюй зависимое 1 п коэффициента затухания ультразвукового сигнала в горных породах и их нарушснностью и напряженным состоянием.

Практическая ценность работы состоит в разрабоже ульфа шокового мпогочастотного метода геокотроля, а также 1схппчсски\ средств для его реализации, позволяющих измержь шнрокш'|' комплекс кинематических и динамических информативных параметров при прозвучпваппп и каротаже горных пород с высоким коэффицнен юм !шу-хания.

Реализация работы. Разработанный меюд н аппара!ура были использованы:

• для оценки напряженно-деформированного сосюяппя и парушеп-ностп боковых пород и пород основной и нспосредс! венной кровли

трапспортиого штрека №325 шахты "Юбилейная" А( "Ростовуголь";

• в учебном процессе при подготовке лекционного и лабораторной курсов по дисциплине "Горная геофизика" для студентов, обу чающихся по направлению "Горное дело" на кафедре "Физико технический контроль процессов горного производства" МГГУ.

Апробация работы. Основные положения диссертационной рабо ты докладывались на V сессии Российского акустического общества (г Москва, 1996 г.), а также на научных семинарах Научного центра соци ально-производственных проблем охраны труда и кафедры ФТКГ МГГУ.

Публикации. По результатам выполненных исследований опу бликовано 4 печатных работы.

Автор выражает искреннюю благодарность своему руководите лю проф., д. т. и. В. Л. Шкуратнику, внимание, советы и консультацит которою во многом предопределили направление исследований и спо собствовалп написанию диссертации, а также с. н .е., к. т. н. А. А. Ер молипу за практическую помощь в разработке аппаратуры контроля г проведении ультразвуковых измерений в лабораторных и натурных условиях.

Оснсншос содержание работы

Объективная потребность в качественном улучшении информационною обеспечения горных работ и сложившиеся в последние деся-тилешя научно-технические предпосылки обусловили широкое внедрение в практику гсоконтроля методов горной геофизики, основанных на изучении природы, структуры, пространственной и временной изменчивости естественных и искусственных физических полей в массиве. В пашен стране значтельпый вклад в развитие этих методов внесли ученые 11ФЗ РАН, ИГ1КОН РАН, ИГД СО РАН, ГоИ КФ РАН, ИГД им. А. А. Скочмпско! о, ВИИМИ, МГГУ, Гидропроекта и других организаций.

Одной из важнейших задач, решаемых сегодня с привлечением методов горной геофизики, является оценка и прогноз устойчивости трпых выработок. В рамках этой задачи необходимо обеспечить исследование относшельпо небольших объемов горных пород прикон-турною массива, но в сочетании с высоким разрешением контроля и ючносп.ю получаемых оценок. Как показывает анализ, благодаря используемому диапазону частот, в наибольшей степени этим требованиям удовлетворяют ультразвуковые (УЗ) методы, то есть акустические метлы УЗ диапазона частот. Они позволяют изучать геологическое с Iроение массива вблизи выработок, выявлять различные природные

нарушения и аномалии, определять физико-механические свопона горных пород, их неоднородность, анизотропию, трсщиповатсм. п мощность зоны разуплотнения, исследован, распределение напряжении в контролируемой области и их динамику под влиянием техногенных и природных факторов, оценивать качество упрочнения, закрепления и других процессов, осуществляемых в прикопгурном массиве с целью целенаправленного изменения его свойств.

Достигнутый сегодня высокий уровень теорсшческих разработок в области УЗ измерении в массиве, а также соо1встствующего аппаратурного и методического обеспечения во многом предопределен трудами таких ученых, как Ватолии Е. С., Глушко В. Т., Горбаиенич Ф. Ф., Данилов В. Н., Кузнецов О. Л., Козырев Д. Д., Мамбеюв III. Д.. Носов В. П., Панин В. И., Рубан А. Д., Савич Д. П., Силаева С). II.. Турчанинов И. Д., Тютюшшк П. М., Шкуратник В. JI., Якобашвили О. П., Ямщиков В. С. и др.

В главе I диссертационной работы дастся подробный апалш современного состояния УЗ методов и средств гсокоптроля, а шкже особенностей УЗ измерений в прикопгурном массиве. В резулмак- -иот анализа показано, что геофизический котроль с использованием УЗ межскважипного ирозвучпваипя и каротажа позволяем получим, практически весь комплекс информации о структуре, свойствах и соеюяппп массива вблизи выработок, необходимый для оценки устойчивости последних. Однако, потенциальные возможности УЗ моодов на практике полностью не реализуются. Во-первых, потому, что при УЗ пше-рениях в массиве почти не используются информативные париморы, связанные с амплитудными характеристиками и частотными спскфамп сигналов. Во-вторых, потому, что абсолютная чувовшелыюсм. существующих приборов не позволяет надежно регистрирован, сигналы в породах, имеющих повышенный коэффициент затухания. Причем в настоящее время представляется технически невозможным nocí роение сквозных широкополосных электроакустических факюв, необходимых как для реализации контроля прикоптурпого массива с исполыо-ванием принципов УЗ спектроскопии, так и для выбора опмшальпых рабочих частот, обеспечивающих падежное прозвучпваипе учаоков массива с высокой нарушснностыо, обусловленной, в чаептои. влиянием взрывных работ и перераспределением горного давления.

В то же время, имеются предпосылки к созданию так называемых многочастотных УЗ приборов, электроакусмшсский фак: которых хотя и является узкополосным, однако может днекропо изменять свою резонансную частоту во всем практически важном для геоконтроля рабочем диапазоне, причем без смспы пьсюэлскфпческмх прсобразова i слей (Г1ЭГ1). Разработку принципов построения kikiix

приборов, а также методов контроля, основанных на их использовании, следует рассматривать в качестве основного направления повышения эффективности УЗ исследований приконтурного массива

Для практической реализации этого направления в рамках на-с.оящеи работы необходимо было решить следующие основные задачи исследований:

1. Разработать математическую модель сквозного электроакустического тракта при межскважшшом прозвучивании горных пород учитывающую влияние частошозависимого затухания последних характеристики пьезоэлектрических преобразователей (ПЭП) и их изменения при нодключе...... электрических корректирующих цепей.

2. На основе полученной модели и результатов соответствующего компыо.сриого моделирования обосновать технические решения обеспечивающие перестройку рабочей частоты электроакустического Факта при мсжскважипном прозвучивании горных пород с различным характером коэффициента затухания и выявить закономерности указанной перссфойкп. 3

3. Исследовать влияние нарушенное™ и напряженно-деформированного сосюяния горных пород на частотнозависимый коэффициент запхаиия упругих волн в них.

4. Разработать аппаратуру и обосновать метод многочастотного УЗ контроля состояния горных пород с большим и изменяющимся в широких пределах коэффициентом затухания.

Во второй главе рассматриваются теоретические предпосылки УЗ многочастотного метода контроля состояния горных пород в окрестностях выработок.

Расчет электроакустического тракта проводился применительно к схеме межскважшшого прозвучивания, представленной па рис. I. Генератор I, ЭДС (спектральная

Рис. I

плотность) выходного сигнала которого имеет частотную характеристику Е<<)((о) ~ е-'"'', возбуждает излучающий I Г)11 радиусом а через корректирующую цепь 2, состоящую из последовательно включенных индуктивности и!>к и активного сопротивления 11<пк. При этом импеданс корректирующей цепи составляет Хж^ ((о)=-1(о1,ч>к + Л'"1!.. Приемный НЭП нагружен на аналогичную корректирующую цепь 3, индуктивность которой иг>к = Ь1'>к = 1.к, а импеданс = -¡¡о1 ,<г>к + Я(р>к. Пьезопластины 4, 5 НЭП, имеющие толщину Л < (а/2) и акустический импеданс Z,., нагружены с рабочей стороны на контролируемую горную породу (массив) с импедансом Zдf, а с тыльной стороны -на демп<|^)ы 6 и 7 с импедансом 7л.

В качестве исходных для расчета принимались известные уравнения прямого и обратного пьезоэффектов. С'ам алгоритм расчета сквозного электроакустического тракта включал последовательное получение формул для: давления на границе Z = О, излучающего I Г )! I с массивом; давления на входе приемной части тракта; спектральной плотности выходного электрического напряжения ¡'».и (го) через упругое напряжение, создаваемое падающей полной; и, наконец, чод\ля относительной спектральной плотности:

y„Jm) _ .с-л-сг У 'А? ки-а- .¡w, „^ [l-сгеА;Л + /■ X 1 smA/i] , (|) /г" • If "y~"7¿'~d~"e * "........ Рл-Р{!)

где D = h (2)

К % )

е2 С 70'' ( 3)

/><" = I - / • О, ■ С„ ■ +-- • ■[:(!- cos *.Л) + í sin к,Л • (?„ - ) / 1

г ■ ъ • Л 7., ■ D 1 4 4 1

р'р> определяется также как и pi¡> в (3) при замене "/'" —>"/'"; Кп, к,> и /л, -волновые числа в пьезопластине, демпфере и массиве, соответственно, (Хм - коэффициент затухания продольных упругих волн в массиве; С'» -статическая емкость пьезопластины; с и а - относительная диэлектрическая проницаемость и диэлектрическая постоянная пьезокерамики, соответственно.

Использование формулы (1) позволяет, с одной стороны, спрогнозировать реальные возможности метода межскважинного акустического прозвучивания, а, с другой, - дать конкретные рекомендации по coBqjuiencTBOBannK) его аппаратурной реализации и выбору оптимальных рабочих частот.

Компьютерное моделирование в соответствии с формулой (I) проводилось для двух вариантов возбуждения I Г )И (непрерывным

спек i ром с luioiiiocibio E">((o) = const и импульсом типа "сгупсиька" со спек i ром li'(v>) = Еы/(2пы)), четырех вариантов коэффициента затухания (ссч = 0 ['/м 1, I ['/м], 4 ['/м] и 7 ['/м]), двух вариантов демпферов (Z,i = 5,32-К)'' п Z,i = 45,9-10'') и двух вариантов частотной зависимости ко-оффпппеша затухания cu = у/и а» = р/2).

Основные выводы, которые можно сделать на основе анализа часютых зависимостей, полученных в результате компьютерного моделирования, заключаются в следующем. Подключение соответствующих корректирующих цепей позволяет перестраивать рабочую Macioiy ipaKia в широком диапазоне частот от единиц до нескольких десятков кГц. Наличие мнимой части в выражениях р<'> и p'W за счет влияния обра того иьезоэффекта приводит к понижению наблюдаемых резонансных частот по сравнению с заданными опорными (до 10%). При возбуждении НЭП разрядным импульсом типа "ступенька" за счет убывания спектральной плотности источника ~1//с ростом частоты / модуль относительной спектральной плотности напряжения на выходе приемкою ПЭП в максимумах нескольких убывает (примерно на 15% па каждые 10 кГц). Использование демпферов с более высоким акустическим импедансом повышает чувствительность тракта на высоких частотах. Причем, увеличение Z,i в п раз приводит к увеличению чувствительности на верхней рабочей частоте примерно в л//7 раз относи-ICJII.HO чувспинсльпости на нижней рабочей частоте.

Полученные в результате компьютерного моделирования коли-чсс1вснные оценки чувствительности электроакустического тракта па разных часто i их показали, что рациональный выбор последних обеспечиваем rapan шровапное прозвучивание горных пород даже с чрезвычайно высоким уровнем нарушенное™. Кроме того, электронная перестройка рабочей частоты тракта позволяет использовать в качестве информативных параметров контроля: максимальную частоту /т,мна котрой устойчиво регистрируется принятый сигнал; отношения амплшуд A(fi)/A(f:) и длительностей переднего фронта ^'/■(/О^фС/:) на двух частотах // и fi (f2»fi)\ отношение у = «¡//¡для ряда разнесенных рабочих частот, постоянство или малые изменения которою буду| говории. об отсутствии нарушенное™ горных пород.

С друюй стропы, показано, что, если характер частотной зави-симосш коэффнцпеша затухания а известен, то на основе много-частотых измерений возможно определить конкретное значение этого коэффпппста. В частности, сели справедлива линейная аппроксимация а = у/, i о

а =

l.2>

(4)

где = /1/""' / Л 2м", 5'" = /11"1 /Аз'1', причем a мши пуды с индексами "и" получают по результатам математического пли физического моде-

- по экспериментальным данным па коп-Г и "2" при А соотпегсшуюг час i там /;

лировання, а с индексами э тролируемои базе d\ индексы

В случае, если часгогная зависимость коэффициент запхаппя аппроксимируется выражением а = уf + (3/-, соотвсчавующпс пшере-ния и расчеты проводятся на трех частотах// <J: < /.;, а значения ко >ф-фициентов у и р определяются из выражении

Р =

I

(/." А)'''

__1__

(л-лК

(W.)

(?)

sr

i

б«-» 5Í'"'

/.I:

.1:

'I fl /|

где = 5У«; = Л,"1" /Л.<<л". 5/"' = /I/"

Ai">/A3<J>.

Существующая потенциально возможпосп. регулировки \ровня излучаемого сигнала па различных частотах позволяс! и нрнннппе на аппаратном уровне добшься выполнения условия ¡vw' = I. При >юм. очевидно, алгоритмы (4), (5), (6) eymeeiвешю упросчяк-я.

В работе была проведена также reopci ичсская оценка влияния трещиноватосгн горных пород на коэффициент за|у.\ання ynpyi н\ волн в них.

Частотная зависимосп» коэффициента затухания може! бы и, представлена в виде

а = у/'+ + Р""/-\ С)

где первое слагаемое ounci.iiiaci затухание п ненарушенных ipemmiona-тостыо породах, второе - учитывает усредненное влияние ipeimm и приближении их равномерного распределения по различным направлениям, третье - позволяет учест ь анизотропию распределения i ретин по основным координатным направлениям.

Коэффициенты Р в (7) могут быть определены im следующих соотношений

Р

оо.

яЧ

2 ■ С]

(К)

ч

2 х-?

, cos щ

i COS щ

(9)

где с - раскрыв трещин; Сг - скорость распространения продольной волны в заполнителе трещины; /*, 1У, I: - средние расстояния между трещинами по соответствующими осями; сояф - направляющие косинусы вектора, задающего направление распространения волны; ^ "

г

означает сумму по трем координатным осям.

Из (7), (8), (9) следует, что при распространении волны вдоль /-той

оси

(10)

а^у ■/ +

2С

■/'■ 1 +

З-Д

И частности, при £ = 2-Ю4, lx = ly = 2/г, /' = z,/ = 20 кГц и Ст = 340 м/с (воздух) получаем, что /Jc-!/2 = 3,42 '/м, /3J2 = 1,74 '/м, то есть общий коэффициент затухания за счет рассеяния на трещинах «5,16 '/м. В случае, если заполнителем трещин является вода (Сг = 1400 м/с) соответствующая оценка составляет =0,3 '/м.

При определении нарушенное™ горных пород вблизи выработки по коэффициенту затухания а продольных упругих волн фактор напряженного состояния следует рассматривать как помеховый и соответствующим образом его учитывать. В частности, в работе проведена количественная оценка влияния напряжений на величину а для окрестности выработки круглого сечения, залегающей на глубине Н — 500 м при средней плотности пород р = 2700 кг/м3, коэффициенте Пуассона и = 0,25 и пористости 3-Ю'3. Показано, что для рассматриваемой модели действие напряжений должно привести к изменению а при измерениях в вертикальной плоскости ~ в 1,36 раза, а в горизонтальной -в 1,13 раза.

Глава 3 посвящена разработке многопараметровой многочастотной УЧ аппаратуры для контроля свойств и состояния горных пород с высоким коэффициентом затухания. Было проработано четыре основных направления совершенствования аппаратуры.

Первое из них связано с реализацией принципа многочастотности, предполагающего дискретную перестройку рабочей частоты электроакустического тракта без смены НЭП в диапазоне (1-7)104 Гц. Количество рабочих частот в этом диапазоне было выбрано равным 5, т. к. при этом, с одной стороны, обеспечивалась возможность выявления нелинейного характера частотной зависимости коэффициента затухания, а, с другой, - степень усложнения аппаратуры оставалась еще

/

приемлемой. Конкретно, в аппаратуре реализованы рабочие чае ним: 10, 15, 25, 40 и 65 кГц.

Второе направление заключалось в использовании двух принципиально разных типов зондирующих сигналов: импульспою п непрерывного шумового. Применение первого из них обеспечпвас! высокий точность измерения кинематических характеристик. Шумовой сшпал позволяет прозвучпвать значительную базу горных пород с высоким коэффициентом затухания за счет большой закачиваемой в массив акустической энергии.

Для реализации двух указанных выше направлений были ра¡работать импульсный и шумовой генераторы, подключаемые к изучающему ПЭГ1 через корректирующие перссфаиваемые пндукшвпые цепи. Причем обеспечение большой импульсной мощноеIи. подаваемой на ПЭП (~ 1,5 кВт), достигалось за счет использования I ирис-тора в качестве ключевого элемента импульсного юператора. Обеспечение равномерной мощности шумового с нормальным распределением сигнала в заданном диапазоне частот досшгалось использованием специальных шумовых диодов и схем АРУ.

Третье направление совершенствования аппара |уры »включалось в обеспечении се мпогопарамсфовосш. Аппара1\ра тмеряег времч распространения УЗК с основной ошосшельной нем решпоеIыо не более 1% , используя при этом традиционные схемные решения и мею-дичсскис подходы; длительность переднею фроша первой по.тчволпы с повышенной точностью за счет использования при обрабо!ке прппяю-10 сигнала двух пороговых усфойав и блоков временной (ачержки-импульсов; амплитуду огибающей импульспою и шумовою сш палов с использованием пикового стробирусмою дсчекюра и схемы преобразования величины напряжения во временной пшервал.

Четвертое направление совсршспововаппя аппара 1\ры бьгю связано с повышением се абсолютной чувавшслыюстп за счет спи,Кения шумов входного усилителя, которое досшгалось использованием мпкротокового режима его работы и обеспечения независимое!!! ною режима от изменений напряжения питания и 1смпсра1уры: опшмша-ции полосы рабочих частот усилительною 1рак1а с пепользовапнем для этого малошумящего полосовог о фильтра па пассивных тлемешах: обеспечения минимального уровня электрических помех, возникающих в преобразователе напряжения путем введения дополнительных реактивных элементов в коллекторную цепь силового трашпсюра, отвинчивающих коллекторный ток в момент сю закрывания.

Аппаратура удовлетворяет жестким консфукшвпым фебова-ппям, определяемым псобходимосп.ю се эксплуакщпп в сложных про-ПЗВОДС1ВСПНЫХ условиях. Она выполнена в виде мало! абарп шш о

1 I

(200x170x65 мм) блока с небольшим весом (<1,5 кг) и автономным питанием с потребляемой мощностью~ 0,5 В-А.

Аппаратура комплектуется шпуровыми зондами, конструкция которых обеспечивает возможность работы в режимах прозвучивания и карошжа в шпурах диаметром 42-50 мм и глубиной до 5 м. Причем специально подобранные синтетические материалы, использованные в конструкции зондов, позволили обеспечить практически стопроцентную акустическую развязку излучающего и приемного ПЭП и полностью исключить попадание на приемный ПЭП электрических помех от возбуждающего электрического сигнала.

Глава 4 посвящена методическим вопросам и практической реализации ультразвукового многочастотного метода геоконтроля.

Лабораторные исследования ставили своей целью проверку реальных возможностей проведения многочастотпых УЗ измерений в природных и синтезированных средах с различной степенью нарушенное! и, а также выявление закономерностей влияния указанной нару-шснпосш на различные информативные параметры контроля.

УЗ измерения проводились на шести вариантах объемных моделей из оргстекла. Варианты отличались продольными (совпадаю-щими с направлением прозвучивания) размерами (0,5 или 1 м), а также уровнями дефектности. Уровню "0" соответствовала бездефектная модель, уровню "/" - модель, содержащая в плоскости перпендикулярной оси прозвучивания 41 дискообразный дефект (диаметром 20 мм и глубиной 0,3 мм) на каждые 10 см базы контроля, а уровню "2" - содержащая 41 дефект на каждые 5 см базы. Было установлено, что с увеличением дефектности модели возрастает не только коэффициент затухания УЗК в ней, но и нелинейность частотной зависимости этого коэффициента. Следовательно, для оценки дефектности может служить коэффициент (3 в аналитической аппроксимации указанной зависимости или отношение = (5/р,, где р, и р, соответствуют некоторой эталонной (условно бездефектной) и контролируемой средам. Например, второму уровню дефект ноет и описанный выше модели соответствует р.' = 7-10-а третьему - р? = 15-10-'. Если р, = р.\ то у = рур., = 0,47. Очевидно, что, чем больше буде1 дефектность контролируемой среды, тем ближе V)/ к 0.

Измерения на модели из оргстекла показали также, что значение скорости распространения продольных УЗК СР в модели 1 уровня дефектности по сравнению с нулевым уровнем не превышает 5'/», а второго - 8%. Что касается длительности переднего фронта первой полуволны т,/,, то сс абсолютная информативность по отношению к дефектности существенно выше, чем скорости (на частоте 40 кГц, 10,9% и

21,8%, соответственно). Причем с увеличением часкиы абсолютам информативность у, растет.

УЗ измерения проводились также па образцах ашрацша с различной искусственно создаваемой нарушенностыо. В рпулмп / с лпх измерений было показано, что для прозвучивання пденшчных баз амплитуда импульсного сигнала должна более чем в 50 раз превосходи п. эффективное напряжение шумового сигнала.

Для изменения нарушспности образцов угля в них с помощью алмазного струнного полотна делались прорези, имишруюшпе фещн-ны раскрывом = 0,8 мм и протяженностью 15 мм. Поскольку длины волн X используемых сигналов для всех частот были »5, а рассюяппс между трещинами для большинства частот было соизмеримо с X. ю по замыслу трещины должны были приводит!, преимушеавеппо к фазовому рассеянию с частотной зависимостью а~/-\ Реально были получены следующие зависимости а([) для пулевого, первого и вюрою уровня нарушспности

а,, = 0,088/+ 0,069 (II)

а, = 0,088/+ 0,0013/ + 0,08 (I 2)

а, = 0,111/ + 0,0024/ -0,19 (13)

Измерения показали также, чю адднпшпоси. пх реплылтв (незавпспмоси. от базы) для второго уровня парушенпосш. максимальной рабочей частоты 65 кГц и максимальной баз!.! образца <1 = 0.45 м нарушается. Причем причиной такого нарушения являося сраСхиы-вание прибора на вторую полуволну принятого сигнала, амплшуда которой существенно больше, чем первой. Снижение же рабочей част-ты до 40 кГц восстанавливало аддитивность измерений Сг. Из сказанного следует вывод о том, что для исключения соовешвуюшей мею-днчсской погрешности, необходимо измерять С,, на нескольких частотах, переходя от более высоких к более низким. Причем, если при 1л-ком переходе значения С,, практически пс пзмспяюкя. ю можно творить о срабатывании прибора по первому виуплепшо принят: о стлала.

Натурные испытания многочастогпого УЗ меюда и аппараиры контроля осуществлялись в транспортном ми реке №325 шамы "Юбилейная" АО "Ростовуголь".

Было исследовано влияние давления Р в спасме пневмопрпжпма скважпнных зондов и различных вариантов обрабо!кн поверхпосш шпуров па качество акустическою контакта при мпогочасюшых УЗ измерениях в угольном пласте. Установлено, что при Р > 4,5 аш в.тия-ние контактных условий стаповшся одинаковым для всех рабочих часто!, а ошошение Л/Л,/ будет опредслян.ся кии.ко эшми чаекмамн

(/,,/) п соответствующими мм коэффициентами затухания. УЗ измерения в шпурах сразу после их «мокрого» бурения обеспечивают максимальную амплитуду и минимальный коэффициент вариации принятого сигнала. Промывка шпуров приводит к уменьшению амплитуды на 11 дБ и увеличению коэффициента вариации примерно на 30%, а промывка с последующей просушкой уменьшает амплитуду сигнала на 16 дБ и увеличивает коэффициент вариации более, чем на 60% по сравнению с первым вариантом.

На одном из участков транспортного штрека непосредственно в угольном пласте были получены зависимости всех возможных информативных параметров УЗ контроля в функции от расстояния до контура выработки. Анализ этих зависимостей показал, что все они позволяют определит ь глубину нахождения зоны опорного давления (~1,1 м), которой соо!встствуют: максимумы С,. (-2040 м/с), амплитуд сигналов ЛцМ = 25, 40, 60 кГц), а также отношение амплитуд ВЧ и НЧ сигналов (Аб</Л;?)\ минимумы Ту, (/, = 40, 65 кГц) и коэффициента затухания {/, - 25, 40, 65 кГц), а также нелинейности частотной зависимости этого коэффициента. Причем величина указанной нелинейности определялась по коэффициентам р при квадратичных членах следующих полученных по экспериментальным данным аналитических аппроксимаций иг/ = 0,17 + 0.0023/+ 0.00056/, (14)

и:м = 0. ~3 + П. 0244/ + 0,0007/ . (15)

и,и = 1,06 + 0.011/+ 0,0022/, (16)

где си /, а?« и ит- коэффициенты затухания на расстояниях Л = 1,1 м, Я = 2.0 м, /? = 0.4 м, соответственно.

Поскольку измерения осуществлялись на одном участке массива, то по ним представляется возможным оценить реальную информативное! ь используемых информативных параметров. С этой целью для каждою из них целесообразно получить соответствующий коэффициент информаIНВИОС1 и:

/„=;Уо- (17)

/ го

где 50 - отпосшслыюе приращение параметра в %, р0 - коэффициент вариации параметра, обусловленный прежде всего влиянием контактных условии НЭП с массивом.

При опенке пространственного распределения напряжений в окреспюсти выработки в качестве величины 60 можно принять относительное приращение величины 9, полученной в зоне опорного давления (/? ~ 1,1 м), и в зоне естественных напряжений (Я » 2 м), а также в зоне опорного давления п непосредственно в приконгурной зоне на мини-

мал:,пом расстоянии от устья скважины, где устойчиво регистрируются сигналы даже наиболее высоких частот (Я = 0,4 м), соответственно 5/ и

5л

Коэффициент вариации соответствующих параметров вычислялся по результатам 30 измерений в каждой из указанных выше трех точек контроля с последующим усреднением полученных значений.

Результаты расчета коэффициентов информативности для различных информативных параметров контроля представлены ниже.

сР тда Ли А щ Лм аи а ¡а а« V

0,5 2.38 3./5 3.18 3,06 3.5 3,97 4,06 4.16 4 4,47

1.36 5.6 7.1 5.1 5.3 5.4 11,36 11,86 13,6 11,25 14,86

Анализ полученных экспериментальных данных показал, что, во-первых, для динамических информативных параметров коэффициент информативности выше, чем для С,,, во-вторых, с увеличением час-юты зондирующего сигнала наблюдается рост как коэффициента вариации р, так и самого коэффициента информативности, и, наконец, в-третьпх, что наибольшей информативностью обладает коэффициент у.

УЗ контроль был использован также для выявления нарушенных участков в стенках и кровле выработок, склонных к вывалообразова-

нию. Для этих участков характерны не только аномальные значения информативных параметров, но и значительный разброс указанных значений от точки к точке контроля. Причем этот разброс наиболее сильно проявляется на максимально высокой частоте, на которой еще имеет место уверенное прозвучи-ванис массива. В частности, на рис. 2 представлены результаты прозвучи-вания участка кровли на частоте 40 кГц. Показанные пунктиром на рис. 2 значения С«/ и сы соответствуют эталонным значениям скорости и затухания в песчанистом сланце в случае отсутствия нарушении, а значения С„з и а,,:, показанные штрих-пунктирными линиями, соответствуют эталонным значениям скорости и затухания в

Рис. 2

песчанике. В нарушенных участках кровли отмечается также существенный разброс результатов каротажных измерений. Если коэффициенты вариации при прозвучивании непосредственной кровли составляют р(") _ ю 7% и р<") = = 32%, то при каротаже ры =

14% и рм = 51,2%, соответственно. Для сравнения отметим, чго в случае ненарушенной (труднообрушаемой) непосредственной кровли: р<"> < 4%, р(;> < 10%, р" <6%, Ры <12%.

Как следует из рис. 2, УЗ измерения позволяют не только выявить нарушенные участки кровли, но и с высокой точностью определить глубину залегания пород основной кровли. Эти данные могут быть использованы для корректировки паспорта штангового крепления кровли.

Заключение

В диссертационной работе дано новое решение актуальной научной задачи разработки теории электроакустического тракта при многочастотном межскважшшом прозвучивании горных пород и создания на этой основе ультразвукового метода и аппаратуры, обеспечивающих повышение информативности и надежности контроля состояния массива вблизи выработок.

Основные научные результаты, выводы и рекомендации работы заключаются в следуюа1ем:

1. Получена формула полного электроакустического тракта при межскважшшом прозвучивании горных пород вблизи выработок, учитывающая влияние на амплитудно-частотную характеристику корректирующих электрических цепей, волнового сопротивления пьезопрсоб-разователей и характеристик затухания контролируемой среды. Проведенное с использованием указанной формулы компьютерное моделирование показало возможность эффективной перестройки рабочей частоты тракта в диапазоне от единиц до нескольких десятков килогерц и повышения чувствительности тракта на высоких частотах с увеличением импеданса демпферов преобразователей.

2. Получены аналитические соотношения, описывающие влияние трещиноватости и напряженно-деформированного состояния горных пород вблизи выработки на коэффициент затухания продольных упругих волн. На основе этих соотношений проведены количественные оценки указанного влияния, свидетельствующие о высокой потенциальной информативности коэффициента затухания и целесообразности его использования при решении соответствующих задач геоконтроля.

3. Теоретически показано, что при известном характере частотной зависимости коэффициента затухания последний может быть оценен по результатам амплитудных многочастотных измерений на одной фиксированной базе. Причем, в случае, если указанная зависимость линейна, то для получения коэффициента затухания необходимо провести измерения на двух частотах, а если эта зависимость квадратичная, то на трех.

4. На основе экспериментальных исследований на моделях из эквивалентных материалов, образцах угля и в приконтурном массиве усыновлено, что увеличение нарушенное™ горных пород и уменьшение напряжений в них сопровождается увеличением нелинейности частотой зависимости коэффициента затухания. Таким образом, коэффициент при квадратичном члене аналитической аппроксимации этой зависимости может быть рекомендован в качестве информативного параметра контроля.

5. Показано, что многочастотные ультразвуковые измерения в ирикошурном массиве позволяют осуществить высокоточное определение времени и, соответственно, скорости распространения продольных упругих волн в горных породах с большим коэффициентом затухания за счет гарантированного срабатывания времяизмерительного блока аппара1уры контроля по первому вступлению принятого сигнала. Для этого соответствующая методика предполагает проведение измерении на нескольких последовательных частотах и выбор в качестве истинного значения результата, полученного па максимальной и! лих часто! /, при условии, что он отличается от результата на час-иле /,-/ не более, чем на величину, равную (1/4)/,.

6. Предложена методика определения оптимального давления в прижимной пневмоснстсме скважинных зондов, обеспечивающего минимизацию влияния контактных условий на результаты многочастотных ультразвуковых измерений в массиве. Суть этой методики сводится к тому, что указанное давление должно быть минимальным из двух последовательных значений, при которых попарное отношение амплитуд сигналов, измеренных на всех рабочих частотах, остается неизменным.

7. Разрабопша ультразвуковая аппаратура геоконтроля, отличающаяся: возможностью проведения скважинных измерений на пяти фиксированных частотах без смены преобразователей; повышенной абсолюIпой чувствительностью и точностью определения в автоматическом режиме как кинематических, так и динамических информативных параметров контроля.

Основные положения диссертации отражены в следующих работах:

1. Ермолин А. А., Бочкарева Т. Н. Многочастотный ультразвуковой прибор для целей геоконтроля. Проблемы геоакустики: методы и средства. Сб. трудов V сессии Российского акустического общества/ под ред. В. С. Ямщикова. - М.: изд. МГГУ, 1996, с. 129-132.

2. Бочкарева Т. Н. К вопросу о количественной оценке влияния напряжений в породах околовыработочного пространства на затухание упругих волн. Горный информационно-аналитический бюллетень. -М.: МГГУ. Вып.4, 1996, с. 160-163

3. Шкуратиик В. Л., Бочкарева Т. Н. Теория электроакустического тракта при межскважинном прозвучивании горных пород околовыработочного пространства. Физико-технические проблемы разра-бо1Ки полезных ископаемых. 1996, № 6, с. 44-52.

4. Шкуратннк В. Л., Бочкарева Т. Н. К оценке влияния трещипо-ваюстп на коэффициент затухания упругих волн в горных породах. Горный'ннформационно-аналнтическип бюллетень. - М: МГГУ. Вып.1, 1997.

Лицензия ЛР № 21037 or ii февраля 1996г. Подписано в печать j"<m/>ci>fl997r. Формат 60\84 1/16. Бумага "Amicus Professional". Печать офсетная. Обьем I и.л. Тираж 100 ->кч. Заказ № 21

Падшие ИПКОН РАН 111020 г Москии, Крюкам кий туп., 4