Акустический способ оценки напряженно-деформированного состояния массива горных пород Советский патент 1988 года по МПК E21C39/00 

о IND

О5 О)

-а

Изобретение относится к горному д|елу и предназначено для контроля состояния массива горных пород на больших глубинах.

Целью изобретения является повыше Н1ие достоверности оценки напряженно- деформированного состояния массива

На фиг. 1 и 2 показаны схемы перемещения датчиков в скважинах с по- с|ледовательным изменением подвижнос- т|и датчиков при межскважинном прозву- 1ивании массива горных пород; на фиг. 3 - схема для определения вели- tины и направления промежуточной (1СИ эллипсоида анизотропии скорости распространения продольной волны; на бтг, 4 - изменение величины и направ- Ления осей эллипсоида анизотропии ;(;корости в окрестности выработки .в начальном цикле измерений при наблюдениях за смещением массива горных йород в выработку; на фиг. 5 - измене 1)1ие величины и направления осей эллип оида анизотропии скорости в окрест- |1ости выработки в последующем цикле Измерений.

Способ осуществляют следующим образом

I Из выработки забуривают три парал- |1ельные скважины 1-3 в вершинах пря- Йоугольного треугольника. Межсква- инное ультразвуковое прозвучивание |эсуществлнют при помощи комплекта ультразвукового оборудования. Периодическое измерение времени пробега продольной волны в окрестности выработки производят между скважинами 1-3 в трех плоскостях ZH, ХН, 45 при по

дольных волн при межскважинном прозвучивании определяют с учетом поправок eft;, определяемых по формуле

t.

1

/5(Н „- Н,),-с,

0

5

- коэффициент, учитывающий изменения скорости продольных волн по глубине скважин Н - глубина погружения неподвижного датчика в скважину, MJ Hfj - глубина погружения подвижного датчика в скважину, м. По определенным значениям времени распространения продольных волн строят векторные диаграммы скоростей в плоскостях скважин 1-3 и определяют по ним величины и направления осей эллипсоида анизотропии скоростей.

Определение осей эллипсоида анизотропии скорости начинают с определения величины и направления максимальной оси эллипсоида. В системе координат, показанной на фиг. 3, направление и величину максимальной оси эллипсоида вычисляют по следующим формулам:

arctg

sinarctgC

tgo/

нх

tga/чг

-)

1й;г

tgdt

нг

arcs in

arcsin

fK

COS

sin /2х)

V,

Изобретение относится к горному .делу и предназначено для контроля состояния массива горных пород на больших глубинах. Цель ивобретения - повьшение достоверности оценки. Из выработки забуривают три параллельHbie скважины в вершинах прямоугольного треугольника. Осуществляют меж- скважинное ультразвуковое прозвучива- ние массива в нескольких направлениях. Периодически измеряют время пробега продольной волны в окрестности выработки между скважинами в трех плоскостях. Измерения проводят с помощью двух неподвижных датчиков и одного подвижного, одновременно размещаемых в различных скважинах, с последовательным изменением подвижности датчиков. Определяют изменения величины и направления осей эллипсоида анизотропии скорости и по ним судят о характере деформирования массива. Дополнительно проводят акустический каротаж скважины. Определяют изменение скорости продольных волн по глубине и время их распространения по ф-ле с учетом поправок, 1 з.п. ф-лы, 5 ил. (Л с

1МОЩИ взаимозаменяемых датчиков 4. Дри этом измерение времени пробега продольной волны при межскважинном прозвучивании производят от двух неподвижных датчиков 4 до одного подвижного датчика 4.

Изменение подвижности датчиков 4 производят с шагом, соответствующим интервалу перемещения подвижного датчика 4 относительно неподвижного датчика 4 по длине скважин 1-3, при этом осуществляют измерения глубины погру- жения датчиков 4 в скважинах 1-3. После проведения межскважинного ультразвукового прозвучивания массива дополнительно можно производить акустический каротаж скважин 1-3, по данным которого определяют изменения скорости продольных волн по глубине , скважин, а время распространения про0

5

0

где « (ц,/

1 1Х

о ..J/H ) ,

2хуглы, характеризующие направление максимальной оси эллипсоида скорости относительно координатных осей с положительным направлением-, значение величины скорости в направлении максимальной оси эллипсоида; углы, характеризующие направления максимальных осей центральных сечений эллипсоида координатными плоскостями относительно осей Н и Z.

3

Углы D HX , отсчитывают по направлению максимальных осей эллипсов на векторных диаграммах, а вычисляют по формуле

140

- 1 агсгЛ - - М - 2 v| (V2 - V2, ) j

10

45

V , V, V45- значения величины векторов скорости в плоскости Zji, считанные с векторных диаграмм;

- величина вектора g максимальной скорости в центральном сечении эллипсоида координатной плоскостью Z у.2Q ,у

вычисляют по фор2х макс

и пр рост урав

v;

Величину V

г у

муле

гхллякс уг

Vi Vi cos

COS

- V, sinV

Определение величины и направления минимальной и промежуточной осей эллипсоида скорости производят по значениям осей центрального сечения эллипсоида плоскостью, перпендикулярной максимальной оси эллипсоида. Определение осей производят по значениям векторов скорости в точках, положение которых определяют расчетным путем по схеме на фиг. 3 по формулам

ПОДВИЖНОГО датчика, сов- 1х f Х,

Изменение направления осей эллипсоида с удалением от контура выработки представляют углами Эйлера, характеризующего положение вращающихся

1402667

H,j, И,

,у

падающая с центром эллипсоида скорости; ij - глубина погружения подвижных датчиков при про- звучивании массива в плоскости, перпендикулярной направлению мак- симальной оси эллипсоида;

Ij, ly расстояние между скважинами на глубине Н,. Величину и направление минимальной и промежуточной осей эллипсоида скорости определяют из решения системы уравнений:

А|

V лгДКс V МиЦ

+ V2 «Kcsin )i

(о(+ if,)+V2, ( + ,)V

5 Гу2

L V ..д

30

- ,

wwkc V|wyH

,cos2 ()+V,sinZ (Чз-о()Г/

25 где V , Vlj, Vj - величина значений

скорости в плоскости прозвучивания, перпендикулярной максимальной оси эллипсоида;

/, . между вектсфа- ми скорости соответственно V, V и V;, (фиг.З); di - угол между направлением промежуточной оси эллипсоида скорости и направлением вектора скорости V l (фиг.З)-, «а с ляин значения величины

промежуточной и минимальной осей эллипсоида скорости.

Значения углов i/, , fj рассчитывают по следующим формулам:

35

40

45

осей эллипсоида скорости относитель- но выбранной при наблюдениях системы координат. Значения углов Эйлера вычисляют по формулам

5

0 (/1 ,

Нз - 4 arctg -г-

Hi

где

6

W V

характеризует отклонение мак симальной оси эл,т1ипсоида скорости от координатной оси Z (угол нутации) , характеризует отклонение промежуточной оси эллипсоида скорости в плоскости, перпендикулярной максимальной оси эллипсоида от линии узлов (угол чистого вращения); отклонение линии узлов от координатной оси X (угол процессии) .

Распределение величины скорости в направлении осей эллипсоида, характеризуемое кривыми V, V, Vj (фиг.4 аналогично изменению величины главны направлений в окрестности выработки. Отсутствие вращения эллипсоида с выходом из зоны нетронутого массива свидетельствует об упругом характере деформирования горных пород в зоне влияния выработки, что дает основание интерпретировать полученное изменение величины и направления осей эллипсоида как изменение величины и направления главных напряжений в исследуемом участке массива. Полученных данных достаточно, например, для оценки степени удароопасности массива по положению максимума концентрации напряжений относительно контура выработки, характеризуемой

величиной Н

макс

и величины концентрации напряжений в зоне максимума. Значения величины и направления осей эллипсоида скорости характеризует направление главных напряже1гай и их соотношение по величине.

На фиг. 5 представлены результаты повторных ультразвуковых наблюдений во втором цикле измерений через месяц после начального цикла. Распределение величины скорости в направлении осей эллипсоида, характеризуемое кривыми V,, У,,, V,., показывает уменьшение величины скорости в зоне влияния выработки. По изменению направления осей элли11соида скорости вы деляют три зоны в интервале глубин 0-2 м, 2-8 м, 8-12 м . По отсутствию изменения величины и иаирзиления

1402667

0

g

5

0

осей эллипсоида скорости в интервале глубин 8-12 м заключают об отсутствии изменения во внешних нагрузках в окрестности выработки. По изменению величины и направления осей эллипсоида скорости в интервале 2-8 м судят об изменении природы анизотропии скорости в выделенной зоне. Сопоставление величины и направления осей эллипсоида с данными о внешнем поле напряжений в окрестности выработки показывает, что анизотропия скорости продольной волны вызвана образованием трещин при квазипластическом деформировании массива. В интервале 0-2 м образовалась зона разрушения массива горных пород. Положение границ скачкообразного изменения направления осей эллипсоида характеризует границы различного характера деформирования массива горных пород в окрестности выработки.

Формула изобретения

ростей, по которым судят о направлении главных напряжений, отличающийся тем, что, с целью повьшения достоверности оценки,, измерения проводят с помощью двух неподвижных датчиков и одного подвижного, одновременно размещаемых в различных скважинах, с последовательным изменением подвижности датчиков, определяют изменения величины и направления осей эллипсоида анизотропии скорости и по ним судят о характере деформирования массива.

(Н, - HJ , с,

где р - коэффициент, учитываюп1лй изменения скорости продольных волн по глубине скважин;

Н - глубина погружения неподвижного датчика, м;

Н „ - глубина погружения подвижного датчика, м.

фиг.1

)

(риг.З

/ 3 5 6 7 89 ГО 71 72

о -

(

fpus

Vf fHH/t)

50

40

1 t J ff S 6 7 в 9 70 ft J2

Т

н

Vf

и/

(}

ff()

Т