CC BY
45
© А. П. Аверин, 2004
УДК 550.3 А.П. Аверин
ИССЛЕДОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ЗАТУХАНИЯ ПРИ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ НАБЛЮДЕНИЯХ
Семинар № 2
ш Ш ри геофизических исследованиях
-Ж.-1 шпуров и неглубоких скважин широко используется ультразвуковой метод [1]. Метод позволяет детально изучить строение и состояние скальных массивов, а также определить упругие и деформационные свойства горных пород, их напряженно-деформированное состояние.
До сих пор при ультразвуковых исследованиях изучаются преимущественно кинематические характеристики волн - времена пробега и определенные по ним скорости распространения упругих волн. Динамические характеристики волн (особенности формы записи, преобладающие частоты и амплитуды) обычно используются только на начальном этапе интерпретации данных измерений, при выделении и корреляции полезных волн. Теоретически и экспериментально установлено, что динамические характеристики упругих волн более чувствительны к изменению состояния среды, чем кинематические и, следовательно, могут служить не только дополнительным, но и основным источником информации при анализе геофизических данных.
Определение динамических параметров, характеризующих затухание упругих волн, проводились многими авторами, результаты этих определений представлены в работах [2, 3, 4]. Однако в большинстве случаев изучалось затухания в сейсмическом диапазоне частот (до 1 кГц).
В данной статье приводится пример изучения частотной зависимости эффективного коэффициента затухания в ультразвуковом диапазоне (от 20 до 100 кГц) для осадочных и метаморфических пород, в естественном залегании и возможность его использования для уточнения строения массива.
В основу работы легли данные ультразвуковых исследований, полученные в подземных выработках строящихся и эксплуатируемых
энергосооружений Днестровской ГАЭС (Украина), Саяно-Шушенской ГЭС, Богучанской ГЭС и Красноярского горно-химического комбината (ГХК).
Измерения выполнены комплектом ультразвуковой аппаратуры (изготовленной ЦСГНЭО), состоящей из цифровой УЗ станции УКА-98 и семиэлементного шпурового (скважинного) зонда с расстоянием между пьезодатчиками 10-20 см. Датчики выполнены из кристаллов сегнетовой соли с резонансной частотой 54 кГц - для шпурового зонда, и 35 кГц -для скважинного. Данное оборудование дает свободу в выборе методики наблюдений в зависимости от целей исследований и условий приема. Как правило, на каждой стоянке зонда производятся наблюдения по встречной системе, когда один из крайних датчиков поочередно включается в качестве излучателя, а остальные - в качестве приемников. При перемещении зонда в скважине с шагом 0,5 м (1,0 м) получается непрерывная система встречных годографов с взаимными точками и перекрытием на двух датчиках. Подобная система наблюдений обеспечивает надежное определение значений скоростей упругих волн на базе 0,1 м или 0,2 м в зависимости от длины зонда, по всей длине скважины.
При исследованиях динамических параметров возникает проблема обеспечения идентичности амплитудно-частотных характеристик приемников и контакта датчиков с горными породами. Адекватное решение этого вопроса предложено в работе [5]. В нашем случае идентичность условий регистрации сигналов обеспечена применением одного и того же комплекта оборудования на Днестровской ГАЭС и Саяно-Шушенской ГЭС. На Красноярском ГХК шпуровой зонд был заменен на скважинный с расстоянием между датчиками 20 см. Из всего объема имеющихся данных для изучения коэффициента затухания были выбраны только
Рис. 1. Типовая кривая изменения амплитуды «второй.» волны с расстоянием (скважина №7 Днестровская ГАЭС)
Рис. 2. Пример онлайновой интерполяции спектра и частотное смещение амплитудных максимумов с удалением от излучателя: * - значение БПФ, | - амплитудные максимумы, 20 см - удаление от излучателя
Рис. 3. Зависимость эффективного коэффициента затухания от частоты для различных типов горных пород
материалы, полученные в обводненных вертикальных скважинах, считая, что в них были обеспечены идентичные условия приема сигналов. Кроме того для последующей обработки были отобраны записи УЗ сигналов без динамических искажений, на которых четко выделялись полезные волны: продольные Р и поперечные Б (поверхностные Я). Вопрос о природе регистрируемых волн при ультразвуковых исследованиях подробно рассмотрен в [1]. Стоит отметить, что используемая в данной работе аппаратура и методика наблюдения позволяет выделять две основные волны: волну Р, в которой преобладают различного типа продольные волны (прямые, головные, винтовые) и волну Б+Я, представляющую собой суммарное колебание от наложения поперечных и поверхностных волн, которые на записи обычно не разделяются. Поэтому далее поперечные и поверхностные волны обозначены как «вторые».
Поглощение энергии ультразвуковых волн, связанное с неидеальной упругостью среды, обуславливает затухание амплитуд волн при их распространении. Выбор параметров затухания базируется на предположении о том, что амплитуда плоской гармонической волны убывает в однородной поглощающей среде по экспо-
Л = А
ненциальному закону
■в
Это
предположение подтверждается типичнои кривои изменения амплитуды ультразвукового сигнала с расстоянием (см. рис. 1). Исходя из этого, значение эффективного коэффициента затухания а для каждой стоянки ультразвукового зонда определялось подбором коэффициентов в указанном уравнении методом наименьших квадратов.
Для определения частотной зависимости коэффициента затухания для каждого канала были получены спектры изучаемой волны пу-
тем быстрого преобразования Фурье (БПФ). Временные окна выбирались длиной 25-50 мкс (1,5-2 периода в зависимости от горных пород и типа волны), в результате БПФ в заданном диапазоне частот оказывалось недостаточное количество точек для определения а(ї). Поэтому результаты БПФ аппроксими-
Скорость «вторых» волн V, м/с Эффективный коэффициент затухания Оэф, м-1 Частота Г кГц Длина волны X, м
1200-1700 8,60-21,75 25-39
Аргиллиты 1400 14,50 27 0,05
1900-2100 4.03-6.89 25-42
Песчаники 0,06
2000 5,86 34
3100-3800 3,14-6,66 40-68
Ортосланцы 3500 4,75 51 0,07
3400-3600 2,45-2,96 29-30
Диабазы 3500 2,64 0,11
3200-3400 2,02-2,98 28-30
0,11
3300 2,54 29
ровались сплайновой интерполяцией, а затем по полученным кривым для каждого канала (расстояния от излучателя) определялись значения амплитуды А(х) на фиксированных частотах с интервалом 10-20 кГц (рис. 2). Дальнейшая обработка состояла в подборе коэффициентов, указанного выше, уравнения для каждой частоты. Все расчеты выполнены в мате-
а)
матическом пакете МаАаЪ [6].
По описанной выше методике были получены зависимости эффективного коэффициента затухания от частоты - аЭф(Г) для продольных Р и поверхностных Я волн в аргиллитах и песчаниках (Днестровская ГАЭС), поперечных Б волн в ортосланцах (СаяноШушенская ГЭС), а также в диабазах и гнейсах (Красноярский ГХК).
Как следует из теоретических представлений и экспериментальных данных, обобщенных в работе [2], высокочастотные компоненты колебаний поглощаются сильнее, чем низкочастотные. И по нашим данным при удалении от источника максимумы спектров волн сдвигаются в область низких частот, что наглядно представлено на рис. 2.
В таблице приведены диапазоны изменения и средние значения скоростей и динамических параметров «вторых» волн для исследованных горных пород.
Значение эффективного коэффициента затухания для продольных волн в аргиллитах ме-
няется в пределах от 6,0 до 15,0 м"1 при скоростях 2700-2800 м/с, для песчаников - затухание 7,412,0 м-1, скорости - 2800-3900 м/с. Графики зависимости аЭф(Г) для исследуемых типов пород
Рис. 4. Результаты ультразвукового каротажа: а - Саяно-Шушенская ГЭС; б - Днестровская Г АЭС
2 3 4 5
V, км/с 0 5 10 о**,, м'
С}™ | 0 о | -бетон, ^ ^ - аргиллиты, ^ - песчаники, \ ^ -о;
і х. х - трещиноватые зоны [)у у\ | (по данным каротажа).
??? - керн отсутствует,
- тектоническая трещина.
Н, м |
1 в а о , Ур
1
1 1 «Т.
-2 г >
)
3.5 V, км/с О
рТ»
1
\ Г > >
-— >
с У
С ( >
Условные обозначения:
- ОСТОН, РТ1
- габбро-долерит / долерипг слаботрещиноватый,
га-
- трещиноватые зоны (по данным каротажа).
Рис. 5. Результаты ультразвукового каротажа. Богучанская ГЭС: а - скважина № 7864; б - скважина № 7751
та затухания не противоречат результатам, полученным другими авторами [2, 3, 4, 7, 8].
С целью практического применения предложенного подхода был проведен эксперимент, задачей которого являлась возможность упрощения обработки материала на основе динамических характеристик ультразвуковых волн.
Так как, основной энергетический вклад в ультразвуковой сигнал вносят «вторые» волны, для обработки каротажных данных была предпринята попытка оценки затухания всего сигнала ультразвуковых колебаний без выделения отдельных волн.
Результаты поканального
суммирования значений амплитуды для каждого отсчета записи показали, что энергетическая характеристика сигнала убывает с расстоянием от источника возбуждения колебаний по экспоненциальной кривой
Л, = А • е ~"г
представлены на рис. 3. Следует отметить, что указанные зависимости получены в относительно сохранном массиве горных пород.
Итак, в результате выполненных оценок динамических параметров горных пород можно сделать следующие выводы:
1. Коэффициенты затухания упругих волн ультразвукового диапазона частот в осадочных и метаморфических породах отличаются почти на порядок.
2. Коэффициенты затухания продольных и «вторых» волн практически не отличаются.
3. Вид полученных частотных зависимостей и значения эффективного коэффициен-
-1П ^ , что дает осно-
вание для оценки коэффициента затухания на всей базе измерений.
Программа предложенной обработки реализована в математическом пакете МЛТЬЛБ 6.5 и действие ее заключается в следующем: указывается путь к текстовому файлу (журнал оператора) и путь к файлам каротажа, программа в соответствии с журналом считывает файлы, подбирает коэффициенты экспоненциального уравнения методом наименьших квадратов и записывает файл со значениями затухания для каждого интервала глубины в формате ЬОТИБ 1-23. Время обработки зависит от производительности персонального компьютера и объема обрабатываемой информации. Так, к примеру, обработка результатов измерений в двадцати метровой скважине занимает не
более десяти минут, включая графическое отображение результатов.
На рис. 4 и 5 представлены результаты обработки каротажных данных для различных объектов и типов горных пород. Значения эффективного коэффициента затухания всего сигнала для относительно сохранных участков массива укладываются в диапазон значений коэффициента затухания «вторых» волн, приведенный в таблице. Для участков скважин, характеризующихся повышенной трещиноватостью и низкими значениями скоростей упругих волн, получены высокие значения аЭф. Относительное изменение скорости на уча-
1. Савич А.И., Коптев В.И., Никитин В.Н.,
Ященко З.Г. Сейсмоакустические методы изучения массивов скальных пород. - М: Недра, 1969.
2. Берзон И.С., Епинантъева А.М., Парийская
Г.Н., Стародубровская С.П. Динамические характери-
стики сейсмических волн в реальных средах. - М: Изд-во АН СССР, 1962.
3. Кондратьев О.К. Сейсмические волны в поглощающих средах. - М: Недра, 1986.
4. Применение сейсмоакустических методов в
гидрогеологии и инженерной геологии. Под ред. Н.Н. Горяйнова. - М: Недра, 1992.
стках повышенной трещиноватости не превышает 30-35 %, в то время как эффективный коэффициент затухания возрастает в 1.5-5 раз.
На данном этапе предложенный метод обработки данных ультразвукового каротажа может использоваться для предварительной оценки состояния массива и выделения нарушенных зон. Дальнейшее усовершенствование -позволит повысить производительность, а также надежность и информативность ультразвуковых наблюдений и разработать методику определения физико-механических и реологических свойств горных пород.
----------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
5. Бочкарева Т.Н. Разработка ультразвукового многочастотного метода и средств контроля состояния приконтурного массива в окрестности выработок. Автореф... к.т.н., МГГУ, 1997.
6. Дьяконов В. Обработка сигналов и изображений. Специальный справочник. - СПб: Питер, 2002.
7. Глушко В.Т., Ямщиков B.C., Яланский А.А. Геофизический контроль в шахтах и тоннелях. - М: Недра, 1987.
8. Справочник по физическим свойствам минералов и горных пород при высоких термодинамических параметрах. Под ред. М.П. Воларовича. - М: Недра, 1978.
— Коротко об авторах
Аверин А.П. - инженер, ЦСГНЭО.
------------------------------------ ДИССЕРТАЦИИ
ТЕКУЩАЯ ИНФОРМАЦИЯ О ЗАЩИТАХ ДИССЕРТАЦИЙ ПО ГОРНОМУ ДЕЛУ И СМЕЖНЫМ ВОПРОСАМ
Автор Название работы Специальность Ученая степень
ПЕРМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
ОМЕЛЬЧАК Игорь Михайлович Основы расчета свайных фундаментов с учетом реологических свойств грунтов основания 05.2З.02 Д. т. н.
