Интроскопия структурных неоднородностей массива

Розглянуто задачу визначення міри неоднорідності гірського масиву методом свердловинної інтроскопії. Отримано основне рівняння залежності показників інтроскопа від відстані до контакту різних середовищ або тріщини. Дана оцінка нормованого показника неоднорідності масиву за даними свердловинної інтро...

Повний опис

Збережено в:

Бібліографічні деталі
Дата:	2011
Автори:	Литвинский, Г.Г., Касьянов, В.А.
Формат:	Стаття
Мова:	Russian
Опубліковано:	Український науково-дослідницький і проектно-конструкторський інститут гірничої геології, геомеханіки і маркшейдерської справи НАН України 2011
Назва видання:	Наукові праці УкрНДМІ НАН України
Онлайн доступ:	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/99692
Теги:	Додати тег Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Цитувати:	Интроскопия структурных неоднородностей массива / Г.Г. Литвинский, В.А. Касьянов // Наукові праці УкрНДМІ НАН України. — 2011. — № 9, ч. 1. — С. 190-202. — Бібліогр.: 5 назв. — рос.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	irk-123456789-99692
record_format	dspace
spelling	irk-123456789-996922016-05-03T03:02:38Z Интроскопия структурных неоднородностей массива Литвинский, Г.Г. Касьянов, В.А. Розглянуто задачу визначення міри неоднорідності гірського масиву методом свердловинної інтроскопії. Отримано основне рівняння залежності показників інтроскопа від відстані до контакту різних середовищ або тріщини. Дана оцінка нормованого показника неоднорідності масиву за даними свердловинної інтроскопії. We consider the problem of determining the degree of rock massif heterogeneity by borehole introscope. The basic equations of depending the data introscope is got from distance to the various media contact or cracks. The estimation of the normalized index of heterogeneity is given from the data of the borehole introscope. 2011 Article Интроскопия структурных неоднородностей массива / Г.Г. Литвинский, В.А. Касьянов // Наукові праці УкрНДМІ НАН України. — 2011. — № 9, ч. 1. — С. 190-202. — Бібліогр.: 5 назв. — рос. 1996-885X http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/99692 622. 83:622.3.016 ru Наукові праці УкрНДМІ НАН України Український науково-дослідницький і проектно-конструкторський інститут гірничої геології, геомеханіки і маркшейдерської справи НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
description	Розглянуто задачу визначення міри неоднорідності гірського масиву методом свердловинної інтроскопії. Отримано основне рівняння залежності показників інтроскопа від відстані до контакту різних середовищ або тріщини. Дана оцінка нормованого показника неоднорідності масиву за даними свердловинної інтроскопії.
format	Article
author	Литвинский, Г.Г. Касьянов, В.А.
spellingShingle	Литвинский, Г.Г. Касьянов, В.А. Интроскопия структурных неоднородностей массива Наукові праці УкрНДМІ НАН України
author_facet	Литвинский, Г.Г. Касьянов, В.А.
author_sort	Литвинский, Г.Г.
title	Интроскопия структурных неоднородностей массива
title_short	Интроскопия структурных неоднородностей массива
title_full	Интроскопия структурных неоднородностей массива
title_fullStr	Интроскопия структурных неоднородностей массива
title_full_unstemmed	Интроскопия структурных неоднородностей массива
title_sort	интроскопия структурных неоднородностей массива
publisher	Український науково-дослідницький і проектно-конструкторський інститут гірничої геології, геомеханіки і маркшейдерської справи НАН України
publishDate	2011
url	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/99692
citation_txt	Интроскопия структурных неоднородностей массива / Г.Г. Литвинский, В.А. Касьянов // Наукові праці УкрНДМІ НАН України. — 2011. — № 9, ч. 1. — С. 190-202. — Бібліогр.: 5 назв. — рос.
series	Наукові праці УкрНДМІ НАН України
work_keys_str_mv	AT litvinskijgg introskopiâstrukturnyhneodnorodnostejmassiva AT kasʹânovva introskopiâstrukturnyhneodnorodnostejmassiva
first_indexed	2025-07-07T09:47:49Z
last_indexed	2025-07-07T09:47:49Z
_version_	1836981074171789312
fulltext	Наукові праці УкрНДМІ НАН України, № 9 (частина I), 2011 Transactions of UkrNDMI NAN Ukraine, № 9 (part I), 2011 190 УДК 622. 83:622.3.016 ИНТРОСКОПИЯ СТРУКТУРНЫХ НЕОДНОРОДНОСТЕЙ МАССИВА Литвинский Г. Г., Касьянов В. А. (ДонГТУ, г. Алчевск, Украина) Розглянуто задачу визначення міри неоднорідності гірсько- го масиву методом свердловинної інтроскопії. Отримано основ- не рівняння залежності показників інтроскопа від відстані до контакту різних середовищ або тріщини. Дана оцінка нормова- ного показника неоднорідності масиву за даними свердловинної інтроскопії. We consider the problem of determining the degree of rock massif heterogeneity by borehole introscope. The basic equations of depend- ing the data introscope is got from distance to the various media con- tact or cracks. The estimation of the normalized index of heterogeneity is given from the data of the borehole introscope. Как правило, строение горного массива, которое формиро- валось длительный исторический период под переменным воз- действием высокого давления, температуры и других факторов орогенезиса, отличается большой сложностью ввиду наличия в нём неоднородностей различного происхождения, формы и свойств. Это чрезвычайно затрудняет оперативное и достоверное решение сложных задач информационного обеспечения эффек- тивного и безопасного ведения горных работ, строительства и эксплуатации подземных сооружений. Поэтому так важно для горной науки и практики изучение природы, строения и про- странственно-временной изменчивости структурных неоднород- ностей в массиве пород при ведении горных работ. Наукові праці УкрНДМІ НАН України, № 9 (частина I), 2011 Transactions of UkrNDMI NAN Ukraine, № 9 (part I), 2011 191 К числу перспективных методов изучения неоднородностей массива следует отнести быстро развивающийся метод интроско- пии (лат. intro – внутри, др.-греч. σκοπέω – смотрю; дословно «внутри-видение») – неразрушающее исследование внутренней структуры, как правило, оптически непрозрачных сред и проте- кающих в них процессов с помощью различных физических по- лей (ультразвуковых и сейсмических волн, электромагнитного излучения, постоянного и переменного электромагнитного поля и потоков элементарных частиц и др.). Объектом исследования ин- троскопии являются горный массив, слагающие его горные поро- ды и находящиеся в них неоднородности искусственного и есте- ственного происхождения. Интроскопия горных массивов в отечественной науке раз- вивалась с середины ХХ века в ряде исследовательских и учеб- ных институтов (МГИ, ВНИМИ, КузПИ, ИГТМ, КазПИ, ДПИ, КГМИ и др.), особенно большой вклад в её развитие был сделан в МГИ [1-3 и др.]. Однако, несмотря на достигнутые успехи в ста- новлении скважинной интроскопии горных пород, до настоящего времени не получили должное теоретическое обоснование мето- ды изучения неоднородностей массива, обусловленные трещина- ми, слоевыми контактами и местными разрушениями массива во- круг выработок при использовании пассивных способов фикса- ции изменения пространственных полей в массиве [4 и др.]. Цель настоящего исследования – разработка теоретического обоснования скважинной интроскопии массива горных пород и реализация предлагаемого метода на практике. Основная идея исследования состоит в том, чтобы постро- ить математическую модель изменения показании датчика интро- скопа при его перемещении вдоль скважины в присутствии эле- ментарной неоднородности типа контакта разнородных сред и распространить её на более сложные случаи неоднородностей (трещиноватость, слоистость, наличие включений, пустот и пр.). Задача данной работы – установить основные теоретические положения обнаружения неоднородностей типа трещин скважин- ным интроскопом, измеряющего вдоль скважины физические по- ля в горной породе (диэлектрическую или магнитную проницае- мость, электросопротивление, теплоёмкость, скорость распро- http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9B%D0%B0%D1%82%D0%B8%D0%BD%D1%81%D0%BA%D0%B8%D0%B9_%D1%8F%D0%B7%D1%8B%D0%BA http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%94%D1%80%D0%B5%D0%B2%D0%BD%D0%B5%D0%B3%D1%80%D0%B5%D1%87%D0%B5%D1%81%D0%BA%D0%B8%D0%B9_%D1%8F%D0%B7%D1%8B%D0%BA Наукові праці УкрНДМІ НАН України, № 9 (частина I), 2011 Transactions of UkrNDMI NAN Ukraine, № 9 (part I), 2011 192 странения различных волн, коэффициенты отражения пород и т.д.). Интроскоп (рис. 1) состоит из зонда 1, который перемещают в массиве по скважине (шпуру) 2, и регистрирующего прибора 3, связанного c датчиком кабелем 4 с помощью штанги 5. По мере перемещения по шпуру 2 датчик пересекает неоднородности 6. Необходимо построить функцию «отклика» датчика по мере его перемещения в зоне влияния неоднородности 6, т.е. как будут изменяться показания датчика при изменении расстояния до не- однородности. Для этого рассмотрим простую модель взаимодействия дат- чика с трещиной, которую расположим перпендикулярно сква- жине. Задача заключается в нахождении аналитических зависи- мостей, связывающих показания прибора с па- раметрами измеряемой неоднородности. Пусть датчик 1 ин- троскопа расположен в среде S1 на расстоянии по нормали х12 от кон- такта 2 со средой S2 (рис. 2). Начало коорди- нат разместим в центре датчика интроскопа, а длину электроёмкостно- го преобразователя обо- значим 2L. Если датчик окажется в среде S1, его показания будут равны A1 и, соответ- ственно, в среде S2 показания изменятся до уровня A2 . Если по- степенно передвигать датчик вдоль скважины из первой среды в другую, то его показания должны изменяться по плавной кривой, причём при размещении на контакте 2 показания датчика будут равны полусумме его показаний в этих средах, т.е. (A1 + A2)/2. Рис. 1. Скважинный интроскоп горных пород [4] 3 4 2 5 1 6 Наукові праці УкрНДМІ НАН України, № 9 (частина I), 2011 Transactions of UkrNDMI NAN Ukraine, № 9 (part I), 2011 193 Рис. 2. Расчетная схема для определения показаний интро- скопа на контакте двух сред Введём координаты х – А для построения графика зависимо- сти показаний интроскопа А от расстояния х между центром дат- чика и плоскостью контакта сред. Исходя из физических сообра- жений о виде и основных свойствах такого графика, можно апри- ори судить об изменении показаний датчика в скважине. Кривая показаний должна иметь две горизонтальные асимп- тоты, расстояние между которыми по нормали равно разности показаний прибора в каждой из сред (A1 – A2), а её угол наклона к оси х должен быть максимальным на плоскости контакта. Наиболее простым аналитическим выражением для такой кривой является гиперболический тангенс. Таким образом, пока- зания интроскопа A12, когда его датчик размещён в среде S1 вбли- зи контакта со средой S2, можно представить зависимостью: );х(thbaA 1212121212 ⋅⋅+= α (1) A1 х 2L 2L A2 a b S2 1 2 х12 A S1 Наукові праці УкрНДМІ НАН України, № 9 (частина I), 2011 Transactions of UkrNDMI NAN Ukraine, № 9 (part I), 2011 194 где a12 – размерная постоянная (1/м), численно равная пока- занию интроскопа, когда центр его датчика совмещён с контак- том сред A1 и A2: ;/)AA(a 22112 += (2) b12 – максимальная полуразность показаний интроскопа в двух средах: ;/)AA(b 22112 −= (3) A1, A2 – показания интроскопа соответственно в средах S1 и S2, на бесконечном удалении от их контакта; Постоянную α12 назовём модулем чувствительности интро- скопа и её можно определить по формуле: . х A b х 012 12 12 12 12 1 =∂ ∂ ⋅=α (4) В правомерности предложенных зависимостей можно убе- диться, проверив выполнение граничных условий, вытекающих из физической сути задачи       +∞→ → + −∞→ = .х;A ;х;AA ;х;A A 122 12 21 121 12 0 2 (5) Правильность закономерности (1) подтверждается сопо- ставлением теоретической кривой, рассчитанной по формуле ( )хth,)х(A ⋅⋅+= 60542447 , и экспериментальных показаний интро- скопа в кварцевом песке (рис. 3). Наукові праці УкрНДМІ НАН України, № 9 (частина I), 2011 Transactions of UkrNDMI NAN Ukraine, № 9 (part I), 2011 195 Рис. 3. Изменение показаний при переходе датчика из сухо- го песка в воздух Рассмотрим подробнее смысл показателя α12, который суще- ственным образом влияет на результаты измерений. Согласно (4), после подстановки значения производной, получим: , LL AA AAX A bX A b ээ 1 2 211 12 121212 12 12 12 = ⋅ −⋅ − =⋅= ∂ ∂⋅= ∆ ∆α (6) где Lэ – половина длины эффективной зоны чувствительно- сти датчика интроскопа, м. Из рис. 1 и 3 следует геометрический смысл эффективной полудлины Lэ – это горизонтальная проекция касательной, прове- дённой к кривой показаний интроскопа в точке перегиба. Следует заметить, что длина датчика интроскопа 2Lи в общем случае не обязательно совпадает с его эффективной длиной 2Lэ. Физиче- ский смысл этого параметра в том, что он характеризует протя- жённость зоны чувствительности датчика по его длине. Следова- тельно, параметр Lэ полностью предопределяется конструктив- Наукові праці УкрНДМІ НАН України, № 9 (частина I), 2011 Transactions of UkrNDMI NAN Ukraine, № 9 (part I), 2011 196 ными размерами датчика интроскопа и является постоянной ве- личиной для данного прибора. Это даёт возможность определять величину модуля ещё на стадии проектирования прибора. Данное теоретическое положение подтверждается прямыми эксперимен- тальными замерами (рис. 3). Из предложенных зависимостей (1-3) следуют очевидные, но, тем не менее, важные соотношения симметрии и антисиммет- рии введённых параметров: 2112 aa = , 2112 bb −= , .2112 αα −= Отсюда непосредственно вытекает формула для вычисления показаний интроскопа А21, когда его датчик размещён в среде S2 вблизи контакта со средой S1: ).х(thbaA 1212121221 ⋅⋅−= α (7) При выводе формул (1-3) принято, что показания интроско- па линейно зависят от физических свойств среды (диэлектриче- ской проницаемости, магнитной восприимчивости и др.), т.е. по- стулируется принцип суперпозиции. Поэтому при разработке конструкции ЭП и датчика интроскопа необходимо стремиться к выполнению этого условия. Если же конструкция прибора не да- ёт такой линейной связи, то следует перейти (путём пересчёта или соответствующей тарировки) от относительных показаний регистрирующего прибора к реальным физическим параметрам среды. Рассмотрим общий случай, когда датчик расположен вблизи двух параллельных контактов трёх различных сред (рис. 4). Для определённости, на рис. 4 показаны электроёмкостный преобра- зователь 1 и трещина, расположенная между двумя контактами: 2 – контакт сред S1 и S2; и 3 – контакт сред S2 и S3. Исходя из принципа суперпозиции, показания прибора бу- дут определяться формулой: 223231212)3(12 )()( AхAхAA −+= (8) Наукові праці УкрНДМІ НАН України, № 9 (частина I), 2011 Transactions of UkrNDMI NAN Ukraine, № 9 (part I), 2011 197 где A12(3) - показания прибора при размещении датчика в од- ной из трёх сред Si (в скобки взят индекс i=1,2,3 той среды, в ко- торой находится датчик). Подставляя (1) в (8), получим ).х(thb)х(thbaA )( 23232312121213312 ⋅⋅+⋅⋅+= αα (9) Рис. 4. Расчётная схема для определения показаний интро- скопа в трещиноватом массиве Проверка выполнения граничных условий подтверждает правильность полученных соотношений: 3312 2321 1231 AA AA AA )( )( )( = = = при при при .х;х ;х;х ;х;х +∞→+∞→ −∞→+∞→ −∞→−∞→ 2312 2312 2312 A1 х 2 Lэ A2 S2 1 2 х12 A S1 S3 х23 2 Δ 3 A3 Наукові праці УкрНДМІ НАН України, № 9 (частина I), 2011 Transactions of UkrNDMI NAN Ukraine, № 9 (part I), 2011 198 Наибольший интерес, с практической точки зрения, пред- ставляет расположение трещины заданной ширины 2Δ в одно- родной среде, что сводится к подстановке в (9) равенства A3 = A1. )].X(th)X(th[bAA 23121212121123 ⋅−⋅⋅+= αα 10) Если датчик интроскопа установить по центру трещины ши- риной 2Δ, получим формулу ).(th)AA(AAm ∆α ⋅⋅−+= 12121 (11) Для трещины разной ширины граничные условия будут    = 2 1 A A Am при ∞= = ∆ ∆ 0 , где Am – показания прибора в центре трещины. Из формулы (11) можно получить зависимость для опреде- ления полуширины раскрытия трещины при прямых замерах в шпурах: , A AArthL m э       ⋅= 2∆ ∆∆ или, используя формулу , x xln)x(Arth       − +⋅= 1 1 2 1 получим после несложных преобразований , AA AAlnL m m э ∆∆ ∆∆∆ − + ⋅= 2 2 (12) где ΔA2 = A2 – A1; ΔAm = Am – A1, а A1, A2 – показания прибора в массиве горных пород S1 и в заполнителе трещины S2 соответ- ственно. Таким образом, получили зависимость показаний интроско- па с эффективной полушириной Lэ датчика, помещённого в цен- тре трещины, при изменении её раскрытия Δ, когда предельные Наукові праці УкрНДМІ НАН України, № 9 (частина I), 2011 Transactions of UkrNDMI NAN Ukraine, № 9 (part I), 2011 199 показания интроскопа равны Am =1 (трещина Δ >> Lэ) и Am =0 (массив горных пород, Δ = 0). Анализ показывает, что вплоть до значений Δ/Lэ < 0,5 наблюдается почти линейная зависимость показаний прибора A от ширины раскрытия трещины. Это существенно упрощает рас- шифровку показаний прибора, особенно когда при вычислениях использовать относительные (нормированные) значения показа- ний прибора ,)х(Р; AA A)х(A)х(Р 10 12 1 ≤≤ − −= , (13) где A(х) – текущее показание прибора. Для линейных величин (координаты, размеры) целесообраз- но ввести нормированные их значения в единицах эффективной полуширины Lэ : э ~ L/хx = (14) Производя разложение зависимости (12) по малому пара- метру и сохранив линейные члены, получим линейную зависи- мость между искомыми величинами и формулу для определения ширины Δ трещины ,РL AA AAL mэ m э = − − = 12 1∆ (15) где mР – относительное показание прибора при установке датчика в центре трещины. Для реализации предложенной идеи была разработана кон- струкция интроскопа, изображенная на рис. 5. Электроёмкостный интроскоп [5] включает зонд 1, который является электрическим конденсатором и состоит из двух крайних металлических элек- тродов в виде передней заглушки 2 и задней заглушки 3 и актив- ного центрального электрода 4, изготовленного из электропрово- дящего материала, размещенных в диэлектрическом корпусе 5. Электроды датчика подсоединены проводами 6 к генератору 7, выход которого соединен кабелем 8 с блоком измерения. Сигнал Наукові праці УкрНДМІ НАН України, № 9 (частина I), 2011 Transactions of UkrNDMI NAN Ukraine, № 9 (part I), 2011 200 от генератора по кабелю, проходящему по шпуру 9, подается на блок измерения, расположенный в горной выработке. Частота сигнала генератора зависит от электрической ёмкости зонда, окруженного породами. А так как эта ёмкость меняется в зависи- мости от величины диэлектрической проницаемости окружаю- щих пород 10, то удается неоднородности породного массива в виде трещин 11 выявить по изменению показаний блока измере- ния интроскопа. Показания интроскопа изменяются по-разному в воде или воздухе (уменьшаются или увеличиваются относительно нена- рушенного массива), поэтому предлагаемым методом и прибором можно так же определить, чем заполнена трещина – воздухом или водой (раствором), а по амплитуде изменения показаний 2 3 4 5 6 7 10 11 9 11 8 1 – зонд; 2 – передняя заглушка; 3 – задняя заглушка; 4 - ак- тивный электрод; 5 – диэлектрический корпус; 6 – соедини- тельные провода; 7 – генератор; 8 – кабель; 9 – шпур; 10 – массив горных пород; 11 – трещины. Рис. 5. Конструкция зонда электроёмкостного интроскопа 1 Наукові праці УкрНДМІ НАН України, № 9 (частина I), 2011 Transactions of UkrNDMI NAN Ukraine, № 9 (part I), 2011 201 можно рассчитать ширину раскрытия трещины. Это повышает информативность и достоверность измерений. Выполненные исследования позволяют заключить: – показания интроскопа зависят от расстояния между датчи- ком и границей контакта сред и описываются гиперболическим тангенсом в виде уравнения (1); – эффективная полудлина датчика интроскопа является про- странственной характеристикой его чувствительности и избира- тельности, которую следует определять экспериментальным пу- тём при тарировке датчика интроскопа; – для оценки неоднородности массива следует использовать нормированный показатель неоднородности, который учитывает её геометрический размер (ширину трещины) и свойства матери- ала заполнителя согласно уравнению (13); – эффективная полудлина датчика интроскопа является про- странственной характеристикой его чувствительности и избира- тельности, которую следует определять экспериментально путём тарировки датчика интроскопа; – доказана линейная зависимость (15) раскрытия трещины от эффективной полудлины датчика и показателя неоднородно- сти, вычисленного при датчике, установленном в центре трещи- ны; – разработана и успешно испытана конструкция прибора, позволяющая реализовать предлагаемую идею. Электроёмкост- ный интроскоп может стать надёжным средством для измерения нарушенности массива горных пород и войти в перечень необхо- димых приборов для каждого горного предприятия при ведении горных работ. СПИСОК ССЫЛОК 1. Глушко В.Т., Ямщиков В.С., Яланский А.А. Геофизический контроль в шахтах и тоннелях. – М.: Недра, 1987. – 287 с. 2. Ямщиков В. С. Контроль процессов горного производства. М.: Недра, 1989, 446 с. 3. Турчанинов И.А., Козырев А.А., Каспарян Э.В. Руководство по определению нарушенности пород вокруг выработок рео- Наукові праці УкрНДМІ НАН України, № 9 (частина I), 2011 Transactions of UkrNDMI NAN Ukraine, № 9 (part I), 2011 202 метрическим методом: – Апатиты: К.Ф. АН СССР, 1971. – 43 с. 4. А.с. № 1376754 СССР, М.кл.4 Е 21 С 39/00. Скважинный ин- троскоп горных пород / Касьянов В.А., Литвинский Г.Г. (СССР). – № 4024977;заявлено 11.02.86, опубл. 22.10.1987, Бюл. № 10. 5. Пат. 31998 Україна, МПК (2006) G01V 3/02. Електроємнісний інтроскоп для масиву гірських порід ЕІ-3 / Касьянов В.О., Литвинський Г.Г.; заявник і патентовласник Донбас. держ. техн. ун-т. – № U200800168, заявл. 03.01.08; опубл. 25.04.2008, Бюл. № 8.

Интроскопия структурных неоднородностей массива

Репозитарії

Схожі ресурси