книги / Свойства горных пород при разных видах и режимах нагружения

Запись сигналов производили сейсмоприемником в скважине, расположенной на расстоянии 0,25—0,5 м от места удара.

Анализ сейсмограмм ударных импульсов показал, что наиболее стабильный импульс наблюдается при ударе через промежуточный элемент по наковальне, вбитой в массив. Для получения стабильного сигнала по частоте и амплитуде целесообразно удар производить с постоянной энергией.

Упругий импульс, возбужденный в породе, представляет собой модулированный по частоте сигнал. В процессе распространения его по породе высокие частоты затухают быстрее, чем низкие, в резуль­ тате сигнал меняет свою частоту и амплитуду в сторону снижения. Степень уменьшения частоты и амплитуды зависит от свойств и состо­ яния массива, а также от расстояния, которое прошел импульс (от точки возбуждения, до точки приема).

В процессе распространения импульса в породе формируется до­ минирующая частота, при которой амплитуда сигнала в несколько раз больше, чем при других частотах. Доминирующая (резонансная) частота для некоторых пластов шахт Донбасса составляет 500 — 1000 Гц (32]. По мере удаления от излучателя наблюдается некото­ рое понижение доминирующей частоты. Так, на расстоянии 1,8 м от излучателя максимум амплитуды приходится на область 500 Гц, а в точках базы 7,2-г 15,3 м максимум амплитуды устойчиво сохраняет­ ся в диапазоне 300—400 Гц.

Таким образом, максимум амплитуды с увеличением расстояния сдвигается в сторону более низких частот, а численное значение час­ тоты, соответствующее максимальной амплитуде сигнала, зависит от свойств пород и колеблется в пределах 500 * 1000 Гц. Эту особен­ ность необходимо учитывать при конструировании акустического прибора. В связи с затуханием сигнала как по амплитуде, так и по частоте при использовании цифровых регистрирующих устройств возникает ошибка в измерении времени (рис. 8.1). Представим, что уровень порогового срабатывания счетного устройства прибора

а в точке приема A t2. Поскольку At2 > A tn погрешность в измере­ нии времени прохождения сигнала At = At2 — Д£г На маленьких базах Дt может быть соизмеримой с временем прохождения сигнала по базе в целом, что недопустимо. Для исключения этой погрешности необходимо уравнять углы наклона сигнала, идущих от запускающе­ го и стопорящего сейсмоприемников.

Акустический прибор для определения напряженного состояния горных пород должен быть простым по конструкции, надежным в работе, в производственных условиях быстро регистрировать акусти­ ческие характеристики пород, искробезопасным, способным прозвучивать базы от десятков сантиметров до десятков метров без суще­ ственных погрешностей. Таким прибором могло быть устройство, построенное на принципе счета стандартных импульсов, вырабатывае­ мых генератором. В настоящее время такие устройства серийно не изготовляются*.

Известны конструкции цифровых измерительных устройств, ко­ торые позволяют определять скорость распространения упругих волн посредством измерения отрезка времени с начала возбуждения (или с любой другой точки на профиле прозвучивания) до момента прихо­ да первого вступления волны на датчик остановки счета. Однако они имеют следующие недостатки:

невозможность определить затухания волн; невозможность использования в шахтах, опасных по газу и пыли;

большие погрешности в измерении времени распространения волн. Для устранения этих недостатков ИГД им. А.А. Скочинского в аналогичное устройство были введены канал для замера затухания амплитуды, формирователь и усилитель с неравномерной частотной характеристикой. Устройство выполнено в искробезопасном испол­

нении.

Отличительной особенностью созданного прибора является воз­ можность усиления сигнала меньшей частоты в большее число раз, чем сигнала высокой частоты.

Исключение ошибки измерения достигается тем, что зная ампли­ туды принятых датчиками сигналов определяется затухание сигнала, пропорционально которому устанавливается уровень усиления сигна­ ла от датчика, останавливающего счет, и тем самым выравниваются амплитуды сигналов, поступающих от датчиков.

В последней конструкции прибора ошибка измерений устраняется автоматически с помощью специального блока, который определяет ошибку и автоматически вычитает ее из полученного результата.

Ударное устройство для возбуждения импульса в массиве (рис. 8.2) выполнено в виде ’’ружья” и состоит из ударника 1, про­ межуточного элемента 2, пружины 3, которые размещены в корпу­ се 4. С помощью рукояти 5 производится взвод пружины и при нажатии на спусковой крючок 6 ударник под действием пружины будет перемещаться и ударит по промежуточному элементу, прижа­ тому к массиву. Ударный импульс, сформировавшийся на контакте ударника и промежуточного элемента передается в породу.

точно пробурить взаимопараллельные шпуры невозможно, эту базу приходится определять в каждом конкретном случае. Для этого сконструировано скважинное измерительное устройство (рис. 8.3), позволяющее по измерению одного базисного расстояния и двух углов вычислять базу прозвучивания на любом удалении от контура выработки.

Устройство состоит из двух направляющих 1, Ï , вставляемых в шпуры, двух трубок 2, 2\ поворачивающихся по оси относительно друг друга, и двух лимбов 3, 3' с указателями 4, 4' для отсчета углов. Направляющая составляет с трубкой угол 90°.

Трубка 2 имеет шкалу с делениями для отсчета расстояния и лимб 3 для отсчета угла пЪворота относительно трубки 2. Направля­ ющая неподвижно соединена с трубкой 2 , последняя неподвижно соединена с указателем 4. Лимб 3 неподвижно крепится на трубке 2'.

В процессе измерений направляющие вставляются в. шпуры и по шкале трубки 2 берется отсчет расстояния между устьями шпуров, а по шкалам лимбов 3, 3' отсчет углов расхождения во взаимно­ перпендикулярных плоскостях.

База прозвучивания с помощью измерителя находится по опреде­ ленной схеме (рис. 8.4), где AD = т — выдвижное плечо измерителя, АТ = DE = / — измерительные штанги (принятые равными по длине). Штанга АТ способна поворачиваться вокруг оси, совпадающей с AD, штанга DE вращается вокруг оси, перпендикулярной AD. Углы пово­ рота штанг АТ и DE обозначены соответственно через а и р . Расстоя­ ние между датчиками

ТЕ = у/т2 + 2 l[m sin а + / (1 — cos/3)].

Для оперативного нахождения ТЕ построены номограммы (рис. 8.5, 8.6), по которым определяется не величина ТЕ, а ее проек­ ция, что приводит к погрешности при наибольшей разности абсолют­ ных значений углов а и р, не превращающей 1,5—2,0 % от истинного расстояния между датчиками.

Для построения номограмм сначала были вычислены величины проекций приращения СМ при различных углах а — от 0 до 20°. В слу­ чае положительного угла а приращение, обозначенное через Аха, бе­ рется со знаком ’’плюс” , при отрицательных углах а — со знаком ’’минус” . Значения Аха при различных а и / можно найти по ном о­ грамме на рис. 8.5.

Затем были вычислены значения проекции ТЕ, обозначенной че­ рез X.

По номограмме на рис. 8.5 для заданного угла а по величине / находится Аха, которая берется со знаком, соответствующим знаку угла а. Эта величина суммируется 'с величиной т выдвижной штанги измерителя. Затем по этой же номограмме находится величина Ахр. Зная величины Ахр и т+ Аха, по номограмме на рис. 8.6 находится значение X.

Для надежной регистрации прямой продольной волны определя-

Тх — времени распространения импульса от А до D по пласту; С, — скорости продольной волны в пласте угля;

С2 — скорости продольной волны в кровле или почве (наиболее скоростном слое) ;

счета импульсов при прохождении сигнала от запускающего сейсмо­ приемника к сейсмоприемнику, останавливающему счет импульсов.

В комплект аппаратуры входит ударное устройство, сейсмопри­ емники, мерительное устройство, электронный счетчик измерения времени прохождения и затухания волн.

Техническая характеристика аппаратуры (электронного счетчика времени АИВ)

При разработке шахтной акустической аппаратуры одним из глав­ ных вопросов является создание скважинных (шпуровых) сейсмо­ приемников, которые должны обеспечивать надежный акустический контакт, иметь хорошую характеристику направленности и достаточ­ ную чувствительность.

Чувствительность пьезоэлемента, на основе которого выполнен сейсмоприемник, зависит от материала, из которого он сделан, кон­ тактных условий с изучаемой средой, условий деформирования и собственной емкости пьезоэлемента.

В качестве пьезоэлемента наиболее широко используется сегнетовая соль и цирконат-титанит свинца, обладающие наиболее высо­ ким пьеэомодулем.

Напряжение, снимаемое с обкладки пьезоэлемента пропорцио­ нально действующей на него силе (перемещению инерционного эле­ мента ударника).

Известно, что чувствительность датчика может быть увеличена за счет снижения собственной емкости путем соединения отдельных элементов в пакеты.

Демпфирование уменьшает чувствительность сейсмоприемника, но оно необходимо, чтобы уменьшить величину собственных колеба­ ний системы и увеличить рабочий диапазон частот. Большое влияние на чувствительность сейсмоприемника оказывают условия контакта датчика с породой. Для улучшения контакта используют различные смазки и прокладки в виде резины, но все это создает неудобства в работе и не всегда обеспечивает надежный контакт.

Лучший контакт получается при использовании специальных гидравлических или пневматических прижимных устройств. Усилие прижатия датчика к стенке скважин оказывает существенное влия­ ние на амплитуду принимаемого сигнала.

1 Z J

Рис. 8.9. Схема сейсмоприемника с пьезоэлементом поршнеш>ги типа:

1 — пьезоэлемент; 2 — резиновый баллон; 3 —штуцер с отверстием для подвода

воздуха от насоса

Рис. 8 .1 0 . Схема сейсмоприемника с биморфным элементом

Собственная частота колебаний влияет на режим работы сейсмо­ приемника и поэтому выбирается так, чтобы ее значение не входило

врабочий диапазон частот.

ВИГД им. А.А. Скочинского разработан сейсмоприемник с пнев­ матическим прижатием к стенке скважины, который действует по принципу акселерометра, собственная частота которого выше часто­ ты принимаемого сигнала (рис. 8.9).

Исключительно важным вопросом является направленность рабо­ ты сейсмоприемника, т.е. способность регистрировать сигналы в выбранном направлении. Это необходимо для того, чтобы можно было лучше выделить из приходящего сигнала тот или иной тип волны.

Существующие типы сейсмоприемников, как правило, обладают слабой чувствительностью, так как в них используются пластины пьезоэлементов прямого среза, работающие в режиме сжатия или рас­ тяжения и позволяющие выделить первую приходящую (продоль­ ную) волну.

Известно несколько типов сейсмоприемников направленного дей­ ствия. В сдвиговых приемниках поперечная волна вызывает поляри­ зацию специальной вырезанной пьезопластины за счет сдвиговых усилий; в биморфных (две склеенные пластины пьезоэлементов), один из концов жестко закреплен, а к другому прикладываются внешние нагрузки от проходящего сигнала. Оба типа сейсмоприем-

ников используются только в лабораторных условиях, так как тре­ буют обеспечения хороших и надежных контактных условий.

Всейсморазведке известны сейсмоприемники направленного дей­ ствия, основанные на индукционно-инерционном эффекте.* Они обла­ дают большой инерцией и применимы в основном тогда, когда произ­ водится запись нескольких сейсмограмм на пленку.

Внастоящее время в технике находят широкое применение инер­ ционные пьезоэлектрические приемники, принцип действия которых основан на инерционном действии массы, изгибающей пластину с наклеенным на нее пьезоэлементом, в котором при этом возбужда­ ется электрический заряд. Такие датчики нашли применение в маши­ ностроении при изучении вибраций.

ВИГД им. А.А. Скочинского изотовлен биморфно инерционный сейсмоприемник (рис. 8.10), имеющий достаточно высокую чувстви­ тельность и обеспечивающий надежный пневматический контакт дат­ чика со стенкой скважины. В его основу положен принцип изгиба мембраны 1 под действием инерционных масс, на которую наклеен биморфный элемент 2.

Действие такого сейсмоприемника (рис. 8.11) состоит в том, что под влиянием приходящих колебаний центральный стержень 1 пере­ мещается, инерционные массы 3 изгибают при этом пластину 2 с пьезоэлементом, на котором возникает электрическое напряжение.

Биморфно инерционный датчик, выполненный в виде консольной балки, оказался недостаточно прочным.

Для прозвучивания массива могут быть использованы три основ­ ные схемы.

Схема № 1 (рис. 8.12). Сейсмоприемник размещается в скважине

на определенном расстоянии от устья скважины, а возбудитель сигна­ ла находится на поверхности забоя. Расстояние сейсмоприемника от устья скважины увеличивается примерно через каждые 0,5 м и корректируется в зависимости от местных условий и состояния мас­ сива. Расстояние между точкой возбуждения сигнала и устьем сква­ жины (вдоль линии забоя) выбирается соответственно мощности пласта М и составляет (0,5 + 1,5) М. Для обеспечения стабильности импульса возбуждения сигнала производится удар через штангу в дно шпура глубиной 0,5 м. Возможен вариант, при котором сейс­ моприемник устанавливается в скважине постоянно на некотором расстоянии от устья шпура, а точка возбуждения меняется. Расстоя­ ние от точки возбуждения до устья шпура изменяется от 0,5 м до максимального, при этом шаг изменения расстояния составляет 0,5 м. Запускающий датчик располагается в штанге, через которую возбуждается импульс.

Схема № 2 (рис. 8.13). Прозвучивание производится через две скважины, пробуренные в пласте угля. В одной из скважин размеща­ ется стопорящий сейсмоприемник, а во второй размещается источник возбуждения сигнала и запускающий датчик. В нашем случае это специальная штанга, в которой встроен пьезокерамический элемент. При прозвучивании массива одна из скважин пробуривается сразу

Рис. 8.11. Схема биморфно-инерцион- ного датчика

Рис. 8.12. Схема (а) и результаты прозвучивания массива (б) через одну скважину :

Спр — скорость продольной волны; / — расстояние между точками воз­ буждения и приема

„Запуск

У/ЖЖ

Измерительная

станция

^777777777777777777777777777,

Рис. 8.13. Схема (а) и результаты прозвучивания через две скважины (б) :

Спр — скорость продольной волны 1 — по вертикали; 2 — по горизонтали (по простиранию); / —расстояние между скважинами; h — глубина шпуров

на всю глубину, а вторая сначала на 0,5 м, а затем углубляется ступе­ нями через каждые 0,5 м по мере перемещения стопорящего сейсмо­ приемника в первой скважине. Прозвучивание массива между сква­ жинами производится ступенями через каждые 0,5 м.

Возможен вариант, в котором источник возбуждения находится не в скважине, а на открытой поверхности, расположенной в приле­ гающей горной выработке (в печи или просеке). При этом варианте прозвучивания запускающий датчик расположен в ближней от точки возбуждения скважине.