Войти  |  Регистрация
Авторизация
» » Применение акустических методов для исследования свойств и состояния горных пород

Применение акустических методов для исследования свойств и состояния горных пород


Упругие волны служат для прямого или косвенного эффективного определения физико-технических свойств и напряженного состояния горных пород как на образцах, так и в массиве. Наиболее широкое распространение в практике получил прямой метод определения упругих показателей горных пород по известным скоростям распространения упругих волн. Этот метод называется динамическим. Упругие показатели, определяемые таким методом, называются динамическими. Значения упругих параметров, получаемые в этом случае, в отличие от статических для одних и тех же пород, не равны между собой. Динамический модуль упругости обычно больше статического. Различие между этими модулями составляет от нескольких процентов до нескольких десятков процентов.
Различие между значениями статических и динамических упругих параметров связано со следующим. При измерении статических модулей упругости горных пород к образцу прикладывают ступенчатую нагрузку обычно через каждые 5—10 МПа в зависимости от сжимаемости образца и точности прибора. При этом первый отсчет обычно соответствует нагрузке 10—20 МПа, максимальная же нагрузка не превышает половины предела прочности испытуемого образца. По данным испытания строят график зависимости деформаций от напряжений, на котором модуль упругости определяют по наклону среднего, наиболее прямолинейного, участка кривой нагрузки или же по наклону прямой, соединяющей начало и конец деформационной кривой.
При определении динамических модулей с помощью упругих волн создаются условия, отличающиеся тем, что процесс деформации носит знакопеременный характер (причем время действия напряжений одного знака равно долям секунды) и максимальные значения возникающих напряжений выражаются единицами и долями Паскаля. Таким образом, на графике деформаций динамическим процессам соответствует нижняя часть кривой, а статическим — средняя. Так как на графиках деформаций горных пород в начальной части кривые обычно имеют большую кривизну, чем в средней части, динамический модуль упругости, определяемый при малых нагрузках, должен быть больше статического.
К факторам, обусловливающим различие между статическим и динамическим модулями упругости горных пород, относятся их упругое последействие, наличие микро- и макротрещиноватости и пористости, различие в физической сущности процесса при динамическом (адиабатическом) и статическом (изотермическом) нагружении образца.
Так как модуль упругости зависит от длительности действия нагрузки на образец, при медленных (статических) испытаниях вследствие влияния упругого последействия получаемое значение модуля меньше динамического. Пористость и трещиноватость горных пород влияют на значение модуля упругости аналогично влиянию упругого последействия.
Проведенный анализ и обобщение разрозненных данных отдельных исследователей с целью изучения вопроса о количественном соотношении между динамическим Ед и статическим Eс модулями упругости показывают, что между их значениями наблюдается зависимость, которая в первом приближении может быть выражена прямой линией
Применение акустических методов для исследования свойств и состояния горных пород

где k и b — вспомогательные коэффициенты (среднее значение k=0,83, b=0,97 МПа).
Эту зависимость следует использовать только когда значения модуля упругости не меньше (2—2,5)*10в4 МПа. У горных пород, имеющих малые значения модуля упругости, различие между Ec и Ед возрастает.
Результаты исследований показывают, что для крепких малопористых пород соотношение между статическим и динамическим модулями упругости невелико и составляет в среднем 20—30 %. В породах, обладающих значительной пористостью, это соотношение резко возрастает, достигая 70—100 % и более. Коэффициенты Пуассона, определяемые разными методами, имеют различие соотношения значительно большее, чем модули упругости. В некоторых породах эта разница достигает 70 % и более. Динамический коэффициент Пуассона получается, как правило, меньше статического.
Применение акустических методов значительно повышает точность и упрощает определение упругих параметров горных пород. При этом для определения всех упругих параметров горных пород (в предположении, что породы являются изотропными телами) достаточно измерить какие-либо две скорости распространения упругих волн в образце и знать плотность данной породы. В зависимости от применения того или иного способа исследований измеряются обычно следующие пары скоростей упругих волн: CP и CS, CP и CR; и CD и СP.
Формулы для определения упругих параметров по измеренным скоростям распространения упругих волн приведены ранее.
Коэффициент Пуассона v довольно просто находится из отношения скоростей:
Применение акустических методов для исследования свойств и состояния горных пород

Точность определения упругих параметров горных пород при применении акустических методов зависит от точности измерения скоростей распространения упругих волн и отношения каких-либо двух используемых в расчетах скоростей. Относительная погрешность определения плотности материала гидростатическим методом составляет δр≤0,2 % и может не учитываться.
По мере уменьшения отношения скоростей продольной и поперечной волн, что соответствует уменьшению коэффициента Пуассона, погрешность определения методом возрастает. Это может быть также объяснено увеличением содержания кварца в породе. Средняя квадратическая относительная погрешность определения коэффициента Пуассона при δС=1% для горных пород составляет до 8—10%, а модуля Юнга — до 4—5%.
Основными преимуществами динамических методов испытаний являются:
1) отсутствие всяких разрушающих и повреждающих воздействий на. испытуемый образец или участок массива;
2) возможность повторения испытаний неограниченное число раз;
3) быстрота испытаний и практически «мгновенное» получение результатов.
Ультразвуковые методы в отличие от сейсмоакустических дают упругие характеристики для небольшого участка массива. Значения их, как правило, больше полученных с помощью сейсмоакустических методов. В табл. 2 приведены сравнительные сочетания методов определения упругих характеристик горных пород.
Применение акустических методов для исследования свойств и состояния горных пород

На существовании тесной корреляции между пределом прочности на сжатие (растяжение) и скоростью распространения упругой волны (или в сочетании с коэффициентом затухания) основаны ультразвуковые неразрушающие методы изучения прочности горных пород. При этом наличие прямой корреляции предполагает, что предел прочности зависит от упругих деформаций и дефектности структуры породы. Чем прочнее порода, тем теснее корреляция предела прочности на сжатие со скоростью продольной упругой волны. С увеличением предела прочности возрастает скорость. Для горных пород, у которых сильно выражены вязкопластические свойства, корреляция с прочностью устанавливается при использовании двух акустических характеристик: скорости распространения и коэффициента затухания продольной упругой волны.
Акустические свойства имеют корреляционную связь с такими физико-техническими свойствами, как контактная прочность, плотность, буримость, дробимость и взрываемость.
Базируясь на существующей тенденции в корреляционной связи между искомым показателем и акустическим свойством, для каждого месторождения устанавливают свои эмпирические формулы связи, по которым определяют механические свойства горных пород.
Закономерное изменение акустических свойств пород при упругом деформировании под действием нагрузки положено в основу предложений об использовании акустических методов для определения напряжений в массиве горных пород.
Акустический метод определения напряжений основан на измерении акустических показателей горных пород (скоростей распространения упругих волн, коэффициентов затухания и др.) или их изменений на определенных участках массива и сравнении измеряемых характеристик с тарировочными зависимостями для тех же пород.
Непосредственное определение напряжений в массиве базируется на существовании зависимостей «акустическая характеристика — напряжение», которые устанавливаются предварительно для конкретного типа пород одного месторождения (тарировочных зависимостей). Тарировочные зависимости различают по месту иx получения: лабораторные (на образцах) и полевые (в естественных условиях).
В случае определения напряжений в массиве с использованием лабораторной тарировочной зависимости предполагается предварительный отбор керна в местах будущих исследований, изготовление образцов и массовое испытание их при одинаковых условиях в лаборатории на прессе. Совместное измерение давлений и акустических характеристик дает возможность строить тарировочную зависимость «акустическая характеристика — напряжение».
Однако использование в полевых условиях на массиве лабораторной тарировочной зависимости между абсолютным значением скорости и напряжением сжатия, как правило, не обеспечивает достаточной надежности результатов.
Применение акустических методов для исследования свойств и состояния горных пород

Перспективным, с точки зрения надежности измерений метода, является определение напряжений в массиве с использованием полевой тарировочной зависимости. Для этого проводятся предварительные исследования в нескольких точках массива двумя методами: ультразвуковым (рис. 14) — для измерений акустических характеристик — и методом компенсационной нагрузки или разгрузки керна в скважине — для измерений абсолютных напряжений. Совместные измерения в нескольких точках позволяют построить тарировочную зависимость «скорость — напряжение» для дальнейшего использования акустического метода в любой другой точке.
Для определения значения и направления главных напряжений целесообразно использовать показатель анизотропии скоростей волн. Анизотропия скорости ультразвука в массиве может быть обусловлена двумя факторами: действующими напряжениями, приводящими к повышению скорости, и трещиноватостью, вызывающей снижение скорости. Если экспериментально доказано, что для данного массива основной причиной анизотропии скоростей являются действующие напряжения, то показатель анизотропии скоростей упругих волн может служить важным информативным признаком при изучении напряженного состояния пород в массиве. Используя график зависимости анизотропии скорости упругих волн в образце как тарировочный, по анизотропии скоростей в массиве можно оценить действующие напряжения, В этом случае методика измерения на массиве связана с нахождением направления наибольшего сжимающего напряжения на испытуемом участке с помощью метода разгрузки, которому и соответствует длинная ось эллипса скоростной анизотропии. Далее по вычисленному значению коэффициента анизотропии в любом направлении испытуемого сечения определяют напряжения.
По трем измерениям скоростей упругих волн в трех различных плоскостях можно определить максимальные и минимальные главные нормальные напряжения
Применение акустических методов для исследования свойств и состояния горных пород

где α — угол между осями координат и направлением главных напряжений: C1, С2, С3 — скорости упругих волн по трем направлениям.
Переводя с помощью тарировочных графиков скорости в напряжения, определяют нормальные напряжения.
Акустические измерения в массиве позволяют изучать изменения напряжений во времени и распределение их в массиве. При этом наиболее информативным акустическим параметром является коэффициент затухания упругих волн. Связь изменений напряжений в одном из направлений в массиве по результатам длительных измерений определяется из отношения
Применение акустических методов для исследования свойств и состояния горных пород

где σ'у и σ"у — напряжение в точке массива в направлении оси у в разные моменты времени; k'a — коэффициент пропорциональности, зависящий от свойств среды и частоты колебаний; α'у и α"у — коэффициенты затухание упругих волн, измеренные в разные моменты времени.
Пpименeниe акустического метода для изучения напряженного состояния с предварительным установлением тарировочной зависимости «акустический показатель — напряжение» непосредственно в массиве позволяет снизить затраты на измерения напряжений на больших площадях по сравнению с методом разгрузки керна в скважине в 2 раза и более.
Добавлено Serxio 20-03-2017, 14:17 Просмотров: 937
Добавить комментарий
Ваше Имя:
Ваш E-Mail:
  • bowtiesmilelaughingblushsmileyrelaxedsmirk
    heart_eyeskissing_heartkissing_closed_eyesflushedrelievedsatisfiedgrin
    winkstuck_out_tongue_winking_eyestuck_out_tongue_closed_eyesgrinningkissingstuck_out_tonguesleeping
    worriedfrowninganguishedopen_mouthgrimacingconfusedhushed
    expressionlessunamusedsweat_smilesweatdisappointed_relievedwearypensive
    disappointedconfoundedfearfulcold_sweatperseverecrysob
    joyastonishedscreamtired_faceangryragetriumph
    sleepyyummasksunglassesdizzy_faceimpsmiling_imp
    neutral_faceno_mouthinnocent