Новые способы возбуждения сейсмических сигналов для исследования структурных неоднородностей углепородного массива Текст научной статьи по специальности «Физика»

УДК 622.83 В.Ё. Шкуратник

НОВЫЕ СПОСОБЫ ВОЗБУЖДЕНИЯ СЕЙСМИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ СТРУКТУРНЫХ НЕОДНОРОДНОСТЕЙ УГЛЕПОРОДНОГО МАССИВА *

Семинар №2

Выявление структурных неоднородностей углепородного массива является одной из важнейших задач геоконтроля при освоении угольных месторождений. Для решения этой задачи привлекается широкий спектр методов шахтной геофизики и прежде всего методы сейсмического прозвучивания с использованием продольных, поверхностных, каналовых и других типов волн [1]. Для возбуждения этих волн используются преимущественно взрывные источники, для которых характерны нестабильность излучения и сложность управления его конкретными параметрами [2]. Указанные недостатки в определенной степени устраняются в рассматриваемых ниже способах излучения сейсмических сигналов.

Первый из способов предполагает создание в массиве локальной электропроводящей области и воздействие на нее импульсным квазистационарным магнитным полем, изменением параметров которого управляют характеристиками возбуждаемых упругих волн (рис. 1, а).

Принцип действия магнитодинамического способа иллюстрируется эквивалентной схемой, представленной на рис. 1, б.

В результате разряда конденсаторов С накопительного узла на катушку Ьи индуктора в электропроводящей области создается импульсное квазистационарное магнитное поле, приводящее к возникновению в этой области вихревых токов / (/), магнитное

поле которых взаимодействует с магнитным полем индуктора. Результатом этого взаимодействия является появление механических напряжений на участке массива, где расположена электропроводящая область. Проводимость последней должна быть не

‘Работа выполнена в рамках гранта НШ-1467.2003.5 государственной поддержки ведущих научных шкод.

ниже 2-107 (Ом-м)-1, т.к. в противном случае заметно уменьшаются наводимые вихревые токи и амплитуда возбуждаемых импульсов, соответственно.

Электропроводящую область в массиве создают, например, закреплением в полости металлической пластины толщиной I = 10 50 мм (рис. 2, а). При I > 10 мм существенно падает амплитуда возбуждаемой упругой волны на низких частотах, поскольку толщина скин-слоя А начинает превышать величину I. При I > 50 мм заметного увеличения указанной амплитуды не происходит, а технология изготовления электропроводящей области усложняется. Оптимальный диаметр электропроводящей области d = (1,2 + 16)Б , где О - диаметр индуктора.

Электропроводящая область может быть создана также путем заливки твердеющим компаундом расположенной в полости короткозамкнутой катушки, плоскость витков которой параллельна свободной поверхности массива (рис. 2, б), а геометрические и электрические характеристики подобны характеристикам индуктора. При этом за счет увеличения напряженности магнитного поля самоиндукции на 20-30 % возрастает амплитуда возбуждаемой упругой волны.

Электропроводная область в виде клина (рис. 2, в) позволяет возбудить интенсивную сдвиговую волну, распространяющуюся в направлении нормальном свободной поверхности массива, которая создается тангенциальной компонентой возбуждаемой механической силы.

Амплитуду возбуждаемой упругой волны регулируют либо изменением расстояния Ь между индуктором и проводящей областью, либо изменением разрядного напряжения и0 конденсаторов накопительного узла. Длительность возбуждаемого упругого импульса т регулируется изменением величины

Рис. 1. Магнитодинамический способ возбуждения упругих волн: а - схема реализации; б - эквивалентная электрическая схема; 1 - массив; 2 -электропроводящая область; 3 - индуктор; 4 - емкостной управляемый накопитель

емкости накопительных конденсаторов (т ~ м4с, где М - коэффициент пропорциональности).

Представленные на рис. 3 экспериментальные регулировочные характеристики получены при использовании индукционной катушки с И = 5 см и числом витков

тах

N = 50; Ьи = 0,1 мГн, ^ = 0,3 Ом,

С = 100 мкф.

Второй из рассматриваемых способов предназначен для возбуждения интенсивных каналовых волн поляризации Ёява. Суть этого способа заключается в следующем. В угольном пласте (см. рис. 4) в плоскости, перпендикулярной стенке 2 выработки, прорезают взрывную щель 3, минимальная ширина которой составляет 5 мм (критический размер, при котором еще происходит детонация ВВ), а максимальная выбирается исходя из размеров стандартного инструмента (~20 мм). Горизонтальный и вертикальный размеры щели выбирают из условий

/ =ЛЭ/4, (1)

Рис. 2. Варианты электропроводящей области:

а - в виде плоской металлической пластины; б - в виде короткозамкнутой катушки; в - в виде металлического клина; 1 - металлическая пластина; 2 - цементный раствор; 3 - анкеры; 4 - короткозамкнутая катушка; 5 - твердеющий компаунд; 6 - клиновидная металлическая пластина

12 = А, • А.

,/(^А,2 - А.2) -

(2)

где А - длина каналовой волны в фазе Эйри для основной рабочей гармоники; А -длина поперечной волны в пласте на частоте фазы Эйри.

Значение Аэ и А получают из рассчитанных предварительно дисперсионных кривых фазовой и групповой скорости в зависимости от упругих параметров пласта и вмещающих пород при изменяющемся значении произведения текущей частоты / на половину мощности d пласта. При этом используется известный алгоритм расчета, описанный, например, в [3].

Параллельно взрывной щели 3 на расстоянии

/3 и 0,27-^™ (3)

от нее прорезают экранную щель 4, с теми же размерами, что и у взрывной щели (т -масса заряда ВВ).

Далее инициируют помещенный во взрывную щель плоский заряд ВВ массой т. В результате поверхности этой щели смещаются в направлении 0У и 0(-У), возбуждая упругие колебания поляризации Ёява, распространяющиеся в направлении 0(-Х).

Соотношения (1), (2), определяющие

размеры взрывной щели, обосновываются следующими соображениями. Известно [3], что смещение основной рабочей гармоники симметричной каналовой волны типа Ёява (при возбуждающей силе вида р = р (х0, г0)) может быть записано в виде

. = Л(4, /г) (1 -Щ) к

ь ц’ и • Б'(К)

(4)

Рис. 3. Нормированные зависимости амплитуды и длительности первой полуволны возбуждаемого упругого импульса: 1 - А = /(£>); 2 -

А = / и); 3 - т=/ (с)

где А(/ , / ) - амплитудная функция максимума возбуждающей силы; ц' - константа Ламе угля; и = ^К2 - К2 ; К; - волновое

число поперечной волны в угле; К - волновое число каналовой волны Лява;

/х = К/2 ; 4 =4/2;

Б'(К) = ехр(г'2«И) • W12 - ехр(-г2иИ);

^ ^'•ц/Оц'-и) +1; и»! = д/ К;; - К2 ; 2И - мощность пласта; ^ - константа Ламе вмещающих пород;

+/ Х0 +/х

А(/х, /2) =| | Ру(х,х)ИхИх- ехр(-/'кх)-со;(их)’

Ч Х0 -/х

р (х, х) - плотность силы, возбуждаемой распределенным зарядом; Х0 - расстояние

от центра заряда до точки регистрации.

При постоянной плотности силы р = р (х, х) • П (где П - единичный

вектор в направлении оси 0У), интегрируя по площади заряда, получаем, что

= ру4;ш(./г);1п(к/х)ехр(-г.кхо) ■ (5)

к• и

Учитывая, что влияние свободного торца щели на возбуждение каналовых волн Лява сводится к умножению выражения (4) на величину

(1 - ё 2к/х),

(6)

из (5) и (6) получаем

¥ • 4.іп(и/г).іп(2к/х)

Их. Ц=■

(7)

Рис. 4. Схема реализации способа возбуждения каналовой волны Ёява в угольном пласте:

1 - пласт; 2 - стенка выработки; 3 - взрывная щель; 4 - экранирующая щель

Первый максимум выражения (7) достигается при изменении горизонтального размера 1х (по оси 0Х)- когда

к1х =П 4 - (8)

и изменении вертикального размера / (по оси 02), когда

(9)

х/КУ-К2 • /г =П 2 ■

ки

Выбирая значения волнового числа в фазе Эйри (в которой наблюдается максимум огибающей сейсмограмм) К = 2п/К из (7) и (8), получаем оптимальные соотношения для размеров /х и /

/х = 4/8, (10)

4 = Кк/44К -А;2 . (11)

Из (10) и (11), с учетом принятых на рис. 4 обозначений, приходим к выражениям (1) и (2).

Экранирующая щель обеспечивает подавление влияния возбуждающей силы в направлении 0(-Х), которая (при отсутствии экранной щели) создает в дальней зоне волну Лява, противофазную с волной, возбуждаемой силой, направленной вдоль 0У. При этом экранирующее действие щели 4 заключается в отражении колебаний в сторону щели 3, в результате чего их энергия при взаимодействии с раздробленной породой

преобразуется в тепло. Отсюда вытекает выбор расстояния /3 , которое равно среднему размеру области дробления пород ударной волной, определяемому, как это показано в [4], выражением (3).

1. Ямщиков В. С. Методы и средства исследования и контроля горных пород и процессов. - М.: Недра, 1982, 296 с.

2. Азаров Н.Я., Яковлев Д.В. Сейсмоакусти-ческий метод прогноза горно-геологических условий эксплуатации угольных месторождений. - М.: Недра, 1988, 199 с.

Экспериментально ycтанoвлeнo, что амплитуда каналовой волны Ёява, возбуждаемой описанным способом, не менее, чем на порядок, превышает амплитyдy аналогичной волны, вoзбyждаeмoй сосредоточенным зарядом BB той же массы,

--------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

3. Данилов В. И., Сидоров Е. Е., Ямщиков B.C. Прогноз и контроль нарушений угольньгс пластов. - М.: МГИ, 1987, 98 с.

4. Ямщиков B.C. Boлнoвыe процессы в массиве горньк пород. - М.: Недра, 1984, 279 с.

— Коротко об авторах

Шкуратник Владимир Лазаревич - профессор, доктор технических наук, зав. кафедрой «Физикотехнический контроль процессов горного производства», Московский государственный горный университет.

-------------------------------------- © Ю.Н Бауков, С.В. Павлов,

А.Ю. Бауков, 2004

УДК 622.831

Ю.Н. Бауков, С.В. Павлов, А.Ю. Бауков

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ИЗГИБНЫХ КОЛЕБАНИЙ УПРУГИХ ПЛАСТИН ПРИМЕНИТЕЛЬНО К ОПТИМИЗАЦИИ ВИБРОАКУСТИЧЕСКОГО МЕТОДА КОНТРОЛЯ

Семинар №2

Разработанный еще в конце 70-х годов в МГГУ на кафедре ФТКП под руководством проф. В. С. Ямщикова [1] виброакустический метод неразрушающего контроля нашел широкое применение при обнаружении дефектов связи покрытий и плит с основанием в различных областях техники (в горном деле, на транспорте, в строительстве, в гидромелиорации и т.п.) как в России, так и за рубежом [2], [3], [4].

Из различных модификаций данного метода [5] наиболее часто применяется ударный вариант, основанный на спектральном анализе виброакустического импульса, заре-

гистрированного на поверхности исследуемого объекта при его возбуждении механическим ударом.

При проведении неразрушающего контроля с использованием виброакустического метода на различных объектах с изменяющимися конструктивными особенностями (бетонное покрытие на грунтовом основании, металлическое покрытие на бетонном основании, определение расслоений в сплошном жестком основании и т.п.), как правило, применяется одинаковая методика измерений при использовании ограниченного числа типов электроакустических преоб-