Физико-технический контроль и мониторинг процессов горного или нефтегазового производства
Покупка
Тематика:
Горная промышленность. Металлургия
Издательство:
Издательский Дом НИТУ «МИСиС»
Год издания: 2016
Кол-во страниц: 81
Дополнительно
Вид издания:
Учебное пособие
Уровень образования:
ВО - Специалитет
ISBN: 978-5-906846-10-5
Артикул: 750800.01.99
В учебном пособии рассмотрен широкий круг акустических методов геоконтроля массива горных пород. Представлены как теоретические основы методов, так и лабораторные работы, предназначенные для освоения студентами практических навыков. Пособие снабжено необходимым материалом для контроля знаний, включающим контрольные вопросы и тестовые задания по каждому разделу. Пособие предназначено для студентов, обучающихся по специальности 21.05.04 «Горное дело» и 21.05.05 «Физические процессы горного или нефте- газового производства» ФГОС ВПО.
Тематика:
ББК:
УДК:
ОКСО:
- ВО - Специалитет
- 21.05.04: Горное дело
- 21.05.05: Физические процессы горного или нефтегазового производства
ГРНТИ:
Скопировать запись
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ «НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «МИСиС» № 2752 Кафедра физических процессов горного производства и геоконтроля П.В. Николенко Р.М. Гайсин А.А. Кормнов Физико-технический контроль и мониторинг процессов горного или нефтегазового производства Учебное пособие Утверждено Методическим советом НИТУ МИСиС Москва 2016
УДК 622.831.1 Н63 Р е ц е н з е н т ы : д-р техн. наук О.Н. Малинникова (ИПКОН РАН); канд. техн. наук Ю.Л. Филимонов (ООО «Газпромгеотехнология») Николенко П.В. Н63 Физико-технический контроль и мониторинг процессов горного или нефтегазового производства : учеб. пособие / П.В. Николенко, Р.М. Гайсин, А.А. Кормнов. – М. : Изд. Дом МИСиС, 2016. – 81 с. ISBN 978-5-906846-10-5 В учебном пособии рассмотрен широкий круг акустических методов геоконтроля массива горных пород. Представлены как теоретические основы методов, так и лабораторные работы, предназначенные для освоения студентами практических навыков. Пособие снабжено необходимым материалом для контроля знаний, включающим контрольные вопросы и тестовые задания по каждому разделу. Пособие предназначено для студентов, обучающихся по специальности 21.05.04 «Горное дело» и 21.05.05 «Физические процессы горного или нефтегазового производства» ФГОС ВПО. УДК 622.831.1 ISBN 978-5-906846-10-5 П.В. Николенко, Р.М. Гайсин, А.А. Кормнов, 2016 НИТУ «МИСиС», 2016
СОДЕРЖАНИЕ Введение .................................................................................................. 4 Лабораторная работа 1. Измерение скорости распространения упругих волн с использованием ультразвукового дефектоскопа.............................................................. 6 Лабораторная работа 2. Исследование закономерностей распространения упругих волн в анизотропном массиве горных пород ........................................................................................... 17 Лабораторная работа 3. Изучение методики определения параметров трещиноватости массива горных пород комплексным акустическим методом ................................................... 26 Лабораторная работа 4. Выявление трещин в массиве ультразвуковыми методами проходящих волн .................................... 35 Лабораторная работа 5. Сейсмоакустический прогноз горных ударов ......................................................................................... 46 Лабораторная работа 6. Определение расслоений в конструктивных элементах горных выработок акустическими методами ....................................................................... 55 Лабораторная работа 7. Применение ультразвукового корреляционного каротажа при исследовании кровли горных выработок ................................................................................... 71 Библиографический список ................................................................... 80
ВВЕДЕНИЕ Геоконтроль – это вид контроля, объектом которого является массив горных пород и его отдельные структурные элементы, а также протекающие в них природные и технологические процессы, осуществляемый в целях информационного обеспечения эффективного и безопасного ведения горных работ. Первые шаги в области геоконтроля относятся к 20-м годам XX в., когда в нашей стране и за рубежом были организованы специальные инструментальные наблюдения за сдвижением массивов на ряде месторождений, а также положено начало систематическому изучению прочностных и упругих свойств горных пород, и различных проявлений горного давления в выработках. При этом преимущественно использовались механические и маркшейдерско-геодезические методы исследования. Позднее, начиная с 1950–1960-х годов, стали активно развиваться, а затем постепенно заняли доминирующее положение в геоконтроле так называемые методы горной геофизики, основанные на изучении природы, структуры, пространственной неоднородности и временной изменчивости естественных и искусственных физических полей в массиве горных пород при отработке месторождений Особое место среди геофизических методов геоконтроля занимают акустические методы, т.е. методы, основанные на взаимодействии упругих колебаний и волн с горными породами. Сущность этих методов сводится к тому, что вследствие указанного взаимодействия претерпевают изменения параметры распространяющегося в геосреде акустического сигнала, который становится при этом носителем измерительной информации о первичных физических полях, характеризующих горную породу и являющихся объектом исследования и контроля. Таким образом, проблема определения параметров распространяющихся в них акустических сигналов, осуществляемому современными радиоэлектронными и акустическими средствами. Условно основные задачи, решаемые на сегодняшний день акустическими методами геоконтроля, можно разбить на следующие группы: 1. Задачи горно-геологического контроля, связанные с изучением общего геологического строения массивов горных пород и их литологическим расчленением; установлением границ раздела полезных ископаемых и вмещающих пород; выявлением различных типов на
рушений в массиве (разрывов, карста, мульд и другие) и включений с аномальными физико-механическими свойствами; оконтуриванием зон выветривания, трещиноватости, дробления и др. 2. Задачи горно-технического контроля, связанные с изучением плотностных, механических (упругих, пластических, прочностных, реологических), волновых (акустических) и горно-технологических свойств горных пород, их неоднородности, анизотропии и трещиноватости. 3. Задачи горно-технического контроля, связанные с изучением напряженно-деформированного состояния конструктивных элементов систем разработки и горных выработок различного назначения, прогнозом их устойчивости, а также опасных проявлений горного давления. 4. Задачи горно-технологического контроля, связанные с оценкой качества упрочнения, разупрочнения, закрепления, разрушения и других процессов, осуществляемых в массиве в целях целенаправленного изменения его свойств и состояния. 5. Задачи горно-экологического контроля, связанные с оценкой негативного влияния горных работ на состояние окружающей среды. Возможности решения такого широкого круга задач именно акустическими методами обусловлены: наличием устойчивых функциональных и корреляционных связей соответствующих информативных параметров со свойствами, структурными особенностями и напряженно-деформированным состоянием горных пород; использованием различных типов упругих волн и видов зондирующих сигналов в широком диапазоне частот, а также широкого спектра информативных параметров этих сигналов; многочисленными возможными вариантами схем реализации акустических измерений как на образцах, так и в массиве горных пород. В рамках настоящего учебного пособия в силу ограниченности его объема рассматриваются лишь некоторые из акустических методов и решаемые с их помощью задачи. Пособие состоит из семи независимых частей, каждая из которых посвящена конкретному вопросу акустического контроля и содержит необходимую теоретическую часть, контрольные вопросы, описание соответствующей лабораторной работы, а также тесты для самоконтроля. Такая структура пособия призвана обеспечить возможность его использования как для проведения лабораторных работ, так и для самостоятельной работы студентов и самопроверки полученных ими знаний. Пособие подготовлено в рамках госзадания № 2014/113 (проект № 504).
Лабораторная работа 1 ИЗМЕРЕНИЕ СКОРОСТИ РАСПРОСТРАНЕНИЯ УПРУГИХ ВОЛН С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ УЛЬТРАЗВУКОВОГО ДЕФЕКТОСКОПА Цель работы. Приобрести навыки работы с ультразвуковым дефектоскопом УКБ-1М. 1.1. Общие сведения Для целей геоконтроля наибольшее распространение получили импульсные одно- и многопараметровые приборы, работающие в относительно низкочастотном диапазоне (< 1 МГц). Работа простейших измерителей времени распространения ультразвуковых колебаний (УЗК), за исключением некоторых особенностей, заключается в следующем. Импульсный генератор 1 (рис. 1.1) возбуждает излучающий преобразователь 2. Ультразвуковые (УЗ) импульсы, пройдя через контролируемую базу горной породы, принимаются приемным преобразователем 3 и далее в виде электрического сигнала поступают на усилитель 4. Импульс U1 генератора 1 через схему 5 регулируемой компенсационной задержки запускает триггер 6. Причем импульс U2 с выхода схемы 5 отсекает от импульса U1 на время t3 задержки УЗ сигнала в элементах акустического тракта прибора (протекторы преобразователей, контактные переходные слои и т.п.). Таким образом, фронт импульса U2 соответствует началу отсчета измеряемого временного интервала. Импульсом U3 с выхода усилителя 4 триггер 6 переводится в исходное состояние и на его выходе завершается формирование импульса U4 длительностью tP, равной искомому времени распространения УЗ сигнала на базе L. Этот импульс управляет временным селектором 7, пропускающим на вход электронного счетчика 9 цуг счетных импульсов U5 с кварцевого генератора 8. Приборы, имеющие в качестве индикатора полноценный ЭЛТ или ЖК экран, позволяют измерить не только время распространения, но и динамические характеристики принятого УЗ сигнала. Кроме того, эти приборы позволяют визуально наблюдать форму сигнала и анализировать его искажения, идентифицировать первое вступление продольных и поперечных волн и т.д.
Рис. 1.1. Функциональная схема счетно-импульсного измерителя времени распространения УЗК (а) и временные диаграммы, поясняющие его работу (б) Благодаря используемому диапазону частот, активные УЗ методы оказываются наиболее эффективными при решении задач геоконтроля, которые связаны с исследованием относительно небольших объемов горных пород и требуют высокой разрешающей способности. Сущность извлечения искомой информации о горной породе УЗ методами сводится к следующему. В процессе своего распространения УЗ колебания взаимодействуют с первичными полями различной физической природы, характеризующими горную породу как объект исследования и контроля. При этом изменяются параметры УЗ колебаний. В результате последние становятся носителями измерительной информации. В то же время сами УЗ колебания, являясь низкоэнергетическими, на исследуемые первичные поля практически не влияют. Таким образом, проблема определения параметров первичных физических полей сводится к измерению параметров УЗ сигналов, осуществляемому специализированными радиоэлектронными средствами.
По функциональному признаку технические средства УЗ методов контроля подразделяются на УЗ приборы, УЗ преобразователи и вспомогательное оборудование. УЗ приборы осуществляют: формирование электрических сигналов, возбуждающих излучающие акустические преобразователи; усиление и селекцию на фоне помех сигналов, принятых приемными акустическими преобразователями; обработку принятых сигналов, обеспечивающую измерение и регистрацию параметров. УЗ преобразователи предназначены для излучения акустических колебаний под воздействием электрических колебаний генератора УЗ прибора, а также для приема акустических колебаний и преобразования их в электрический сигнал. Вспомогательное оборудование предназначено для установки и фиксации УЗ преобразователей в заданных точках контроля (в частности, на поверхности образцов, блоков и скважин), а также определения геометрических параметров (баз, глубин и др.) схемы измерения. Ультразвуковые приборы геоконтроля подразделяются: 1) по условиям применения и степени защищенности: – на лабораторные; – полевые; – шахтные (в том числе, пыле-, влаго-, искро-, взрывозащищенные); 2) количеству определяемых информативных параметров: – на однопараметровые; – многопараметровые; 3) измеряемым характеристикам УЗ сигнала: – на временные; – амплитудные; – спектральные; – корреляционные; 4) виду используемого зондирующего УЗ сигнала: – на приборы с импульсным излучением; – приборы с непрерывным (гармоническим, шумовым) излучением; 5) реализуемому методу (методике) измерений: – на приборы теневого контроля; – приборы эхо-импульсного контроля; – универсальные; – каротажные; – резонансные; 6) виду индикации: – с цифровой индикацией; – ЭЛТ индикацией;
7) типу используемого источника питания: – с сетевым питанием; – автономные; – универсальные. Прибор УЗ импульсный УКБ-1М предназначен для измерения времени распространения упругих УЗ колебаний и затухания в контролируемых средах с последующим определением качества материала и конструкций без их разрушения. Прибор позволяет по измеренной скорости распространения УЗ колебаний, степени затухания и форме огибающей многократных отражений импульсов определять качество строительных материалов и горных пород. Основные технические характеристики дефектоскопа УКБ-1М приведены в табл. 1.1. Таблица 1.1 Характеристика Значение Диапазон рабочих температур, °С –10…+35 Диапазон измерения времени, мкс 0…5500 Приборная погрешность измерения времени распространения УЗ колебаний в диапазоне 0…500 мкс, % ±1 Диапазон работы аттенюатора ослабления амплитуды сигнала, дБ 1…60 Коэффициент усиления усилителя при соотношении сигнал/шум равном 10 0,3·106 Полоса пропускания усилителя на уровне 0,7, кГц 10…200 Номинальные рабочие частоты пьезопреобразователей, кГц 25, 60, 100 и 150 Питание, В/Гц 220/50 Принцип работы дефектоскопа следующий. Задающий генератор вырабатывает импульсы для запуска ступенчатой или плавной задержки ждущей развертки, которая используется для отсчета времени прохождения УЗ сигнала в материале. Кроме того, импульсами синхронизатора через линию задержки («Установка нуля») запускается генератор УЗ колебаний. Электрические импульсы генератора возбуждают передающий преобразователь на его резонансной частоте. Упругие колебания передающего преобразователя, при его контакте с поверхностью контролируемой среды, вводятся в данную среду. Прошедшие через изделие колебания принимаются приемным преобразователем и преобразуются в электрические колебания, которые поступают через аттенюатор на вход предусилителя. Усиленные усилителем колебания подаются на экран прибора. Внешний вид передней панели прибора УКБ-1М представлен на рис. 1.2