Всё для Учёбы — студенческий файлообменник
1 монета
docx

Студенческий документ № 043126 из НИТУ МИСиС

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

Национальный исследовательский технологический университет "МИСиС"

Горный институт (МГИ)

Кафедра "Физических процессов горного производства и геоконтроля"

УДК 531.717.5 ЗАЩИЩЕНО с оценкой "_____________________"

_________ проф. А. С. Вознесенский

"____" __________________ 20___г.

КУРСОВАЯ РАБОТА

по дисциплине:

"Контроль процессов горного производства"

Тема

"Оценка трещиноватости массива горных пород с помощью упругих волн"

Вариант №10

Исполнитель,

ст. гр. ГФ-1-12 ___________________ Гирш И.С.

(подпись, дата)

Москва, 2015

СОДЕРЖАНИЕ

ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ.................................................................. 2 ВВЕДЕНИЕ................................................................................ 3 Задание 1

Определение скорости распространения продольных волн в отдельностях горных пород.............................................................................. 5 Задание 2

Измерение скоростей Cp методом продольного профилирования.............. 7 Задание 3.1

Определение параметров массива горных пород по акустическим характеристикам продольных волн................................................... 10 Задание 3.2

Выбор рабочей частоты акустических преобразователей........................ 12

ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ

ВАРИАНТ 10

Задание 1

(Определение скорости распространения продольных волн в отдельностях горных пород)

Радиус образца r=34мм

hmax=140мм tз=12,0мкс

tp=45,33мкс Уровень значимости ?=0,98

Коэффициент вариации ?с=3,0%

Требуемая точность ?с=2,0%

Задание 2

(Измерение скоростей Cp методом продольного профилирования)

Расстояние от бровки уступа L=5.0м

Расстояние между пр. S=20м

Шаг съемки ?=4м

l1=l2=l3=20м ?t1=5.84мс

?t1+?t2=17.09мс

?t1+?t2+?t3=22.93мс

Задание 3

(Определение параметров массива горных пород по акустическим характеристикам продольных волн)

Заполнитель трещин - воздух

Cвозд=330м/с

?пор=2350кг/м3

dтр=0.1мм

ВВЕДЕНИЕ

Трещиноватость является основной физико-химической характеристикой горных пород. Значение степени трещиноватости массива необходимо при решении самых различных задач горнотехнического производства: при оценке устойчивости горных выработок в условиях подземной разработки месторождений, при прогнозировании различного вида динамических явлений, при сооружении шахтных стволов специальными методами с использованием тампонажа горных пород, при проектировании буровзрывных работ в условиях карьеров и для решения целого ряда других задач.

Массив горных пород характеризуется наличием трещин трех порядков. Наиболее существенными с точки зрения влияния на технологические процессы являются трещины третьего порядка. К этим трещинам относятся эндогенные и тектонические трещины, трещины выветривания и искусственного происхождения, образующиеся в породах при ведении горных работ. Трещины третьего порядка имеют значительное простирание, величина их раскрытия измеряется от 10-6 до 10-1м. Трещин третьего порядка делят породы на структурные элементы - отдельности.

Количественно трещиноватость массива горных пород определяется рядом параметров, к основным из которых можно отнести степень трещиноватости системы трещин по i-му направлению

n_i=d/H,

где d - раскрытие трещин;

H - расстояние между трещинами в i-том направлении

Существует целый комплекс методов изучения трещиноватости: прямые (геологические) и косвенные (физические), среди которых можно выделить: оценку трещиноватости по керну; изучение трещиноватости стенок скважин с помощью буроскопов, кавернометров, кино-телеаппаратуры; гидравлическое опробование скважины; электрические, ядрено-физические и магнитные методы; акустические методы. Наиболее перспективными среди указанных физических методов оценки трещиноватости являются акустические методы. В связи с их информативностью, возможностью изучать трещиноватость на больших глубинах и в удалении их от обнаженной поверхности при слабой зависимости результатов измерения от изменения свойств породы и породозаполнителя и при одновременной оперативности, относительной простоте их осуществления и возможности интерпретации результатов измерения.

Для оценки трещиноватости массива горных пород акустическими методами в качестве информативных характеристик используют изменения значений акустических скоростей распространения продольных, поперечных и поверхностных волн, коэффициент затухания эти волн, а также частотные и фазовые спектры упругих импульсов.

Особое значение акустический метод оценки трещиноватости массива горных пород имеет при проектировании буровзрывных работ и картировании карьерных полей в условиях открытых работ, так как в отличие от традиционных методов он позволяет обеспечивать прогнозные оценки на длительный период времени.

В условиях карьера качество взорванной массы, также выбор параметров схем взрывания в большей степени определяются степенью трещиноватости или блочностью. Потребность получения горной массы с кусками требуемых размеров обуславливает необходимость районирования карьерного поля на участки с одинаковой степенью трещиноватости (блочности) пород и выбор параметров и технологии взрывных работ в соответствии с ней. Причем при проектировании буровзрывных работ в условиях карьера необходимо не только знать степень трещиноватости, но и направление главной системы трещин, определяемое обычно в ультразвуковом диапазоне частот метод прозвучивания.

Задание 1

Определение скорости распространения продольных волн в отдельностях горных пород.

Скорость продольной волны C0 непосредственно в массиве измерить невозможно, поэтому оценку величины C0 производят, измеряя скорость распространения продольных вол в образцах Cобр, полученных из отдельностей, приближаясь в к условиям измерения в неограниченном массиве путем выбора размеров образцов и частоты упругой волны.

Образцы могут быть изготовлены из кернов, полученных при бурении, или из блоков горных пород. Наиболее удобными являются образцы в виде цилиндра, размеры которого выбираются из следующих условий:

h?2o=4r и h

где r - радиус;

hmax=140мм - максимально возможная длина образца, при которой он не разрушается вследствие трещиноватости;

o=68мм - диаметр образца;

Для того, чтобы измерения на образцах были подобны измерениям в неограниченном массиве горных пород, необходимо, чтобы

??r,

где ?=C_0/f - длина волны, распространяющейся в образце.

Исходя из ТЗ (r=?=34мм=0.034м) примем h=140мм.

Измерение скорости упругих волн на образцах производится с помощью ультразвуковой аппаратуры УКБ-1М, УК-10П, УК-14П, УК-15П, в комплект которой входит набор ультразвуковых преобразователей с различными собственными частотами f0, величина которых и определяет частоту волны, распространяющейся в образце:

f_обр=C_обр/?

Причем должно соблюдаться следующее условие: f_0?f_обр (1)

Скорость C0 определяется по методике прозвучивания:

C_0=h/(t_p-t_з )=140/((45,33-12,0))•?10?^3=4200м/с,

Где tp - измеренное время распространения первого вступления продольной волны в образце, tз - время задержки импульса в аппаратуре и преобразователях.

Тогда f_обр= C_0/?= 4200/0,034=123кГц

Из условия (1) примем f_0=123кГц.

Для определения числа образцов используем таблицу 1П (Определение необходимого числа образцов с использованием распределения Стьюдента по заданному отношению ?_c/?_c .

Так как a=0,98 и ?_c/?_c = 2,0/3,0=0,7 , то l=15шт.

Задание 2

Измерение скоростей Cp методом продольного профилирования.

Определение скоростей Ci в нарушенном массиве производится в диапазоне высокочастотной сейсмики в связи с тем, что длина волны должна быть больше размера отдельностей и в тоже время преобладающая частота сигнала должна быть достаточно высокой, чтобы обеспечить точность определения Ci на метровых базах не менее 5%. В качестве источников упругих импульсов с казанным частотным диапазоном могут быть удары по поверхности породы молотком весом 4-5 кг, позволяющие надежно прозвучивать массив горных пород на базах до нескольких десятков метров. В качестве приемников упругих колебаний применяются сейсмоприёмники типа СПЭД-56 и "Светлячок" с навернутыми конусами.

Измерение скорости Cp производится методом продольного профилирования. При этом для однозначной интерпретации данных на каждом профиле строится система встречно-нагоняющих годографов. В случае, когда в одном из направлений профилирование осуществить невозможно, скорость определяется путем вертикального профилирования в сухих скважинах и шпурах или межскважинного прозвучивания. Сейсмические профили разбиваются на рабочей площадке уступа. Обычно бывает не менее двух профилей вдоль бровки уступа или двух -перпендикулярно первым.

Первый профиль разбивается на расстоянии L=3-5м от бровки уступа. Расстояние между параллельными профилями S от 10 до 40м. Сейсмоприемники устанавливаются вертикально на конечных и средних точках профиля. Удары наносятся по оси профиля, начиная от приемника с шагом ? не менее двух метров вплоть до конечной точки. В каждой точке производится не менее 3-х ударов.

Для получения системы встречно-нагоняющих годографов весь профиль сначала проходят с указанным шагом, начиная от одной из конечных точек. Затем измерительную аппаратуру переносят ко второй конечной точке и проходят профиль в обратном направлении. Далее аппаратура переносится на среднюю точку профиля, от которой профиль проходится в двух направлениях к обеим конечным точкам. Время распространения волны от точки удара до приемника tj определяется по моменту первого вступления принимаемых колебаний на экране регистрирующей аппаратуры.

Годографы строятся непосредственно в процессе профилирования, откладывая в системе координат [x(м); t(мсек)] на каждой абсциссе xj (расстояние от приемника до точки удара) соответствующую ей ординату (время первого вступления продольной волны на данном xj).

Интервальные скорости (скорости в пределах прямолинейного участка годографа) вычисляются по формуле:

C^i=??x?^i/??t?^i =?(x_k-x_H)?^i/?(t_k-t_H)?^i ,

Где xk и xн - абсциссы конца и начала интервала, м;

tk и tн - координаты конца и начала интервала, с.

C_1=20/5,84=3424,7 м/с;

C_2=20/((17,09-5,84) )=1777,8 м/с ;

C_3=20/((22,93-17,09))=3424,7 м/с

В рассматриваемой задаче предельная ошибка определения скорости по годографу (рис.1) составляет: ?_с=7% (по ТЗ), отсюда находим максимальное отклонение точки от аппроксимирующей прямой:

?_i=(?_с*?*v(n*(n^2-1)))/(C*v12)

Где n=5 - число точек, по которым производится определение скорости;

?=4м - шаг профилирования,

?_1=(7*4*v(5*(5^2-1)))/(3424,7*v12)=25,9*?10?^(-3) мс

?_2=(7*4*v(5*(5^2-1)))/(1777,8*v12)=49,8*?10?^(-2) мс

?_3=(7*4*v(5*(5^2-1)))/(3424,7*v12)=25,9*?10?^(-3) мс

Построение системы встречно-нагоняющих годографов согласно вышерассчитанным значениям:

Рис. 1 - Система встречно- нагоняющих годографов

Задание 3.1

Определение параметров массива горных пород по акустическим характеристикам продольных волн.

С точки зрения решения целого ряда практических задач (выбор схемы взрывания и т.п.) необходимо знать направление трещиноватости в пределах данной поверхности, на которой производятся измерения. Скорость продольных волн в трещиноватом массиве определяется степенью трещиноватости по направлению, перпендикулярному направлению распространения волны, и практически не зависит от трещин, параллельных ему.

Таким образом, если массив пересечен, например, одной системой параллельных трещин, то в нем наблюдается явление анизотропии скорости продольных волн, т.е. в направлении, параллельном направлению трещин. Индикатриса скоростей продольных волн в массиве горных пород, расчлененным тремя взаимно перпендикулярными рядами трещин третьего порядка, будет иметь вид эллипсоида с полуосями.

В случае же одной плоскости, которую пересекают две взаимно перпендикулярные системы трещин, одна из которых является определяющей (раскрытие трещин в ней больше, чем в другой), индикатриса скоростей продольных волн будет иметь вид эллипса, большая ось которого направлена вдоль направления определяющей системы, а малая, соответственно перпендикулярна ему.

Индикатриса скоростей (зависимость скорости от азимута) в горизотальтной плоскости может быть представлена в виде:

C(?)=C_0/v(1+(К_0^2-1)*?sin?^2 ?),

где С0 - скорость продольных волн в направлении вдоль слоистости, принимается равной скорости в ненарушенном массиве;

? - азимут наблюдений, нахожу по следующей схеме (Рис.2)

?0=Ц1-П1= 23? ?1=П1-П3=127?

?2=Ц1-П3=97?

?3=П2-П3=67? ?4=Ц1-П2=37?

?5=П1-П2=7? (отр)

Рис. 2

К0=1,25- коэффициент анизотропии скоростей (по заданию).

Зная коэффициент анизотропии скоростей и азимут наблюдений, рассчитываем индикатрису скоростей.

С0=Ц1-П1=4030 м/с

С1=П1-П3=3603 м/с

С2=Ц1-П3=3369 м/с

С3=П2-П3=3456 м/с

С4=Ц1-П2=3828 м/с

С5=П1-П2=4182 м/с

Рис. 3 Индикатрисса скоростей

Задание 3.2

Выбор рабочей частоты акустических преобразователей.

Измерение скорости продольный волн с целью определения направления трещиноватости производится в ультразвуковом диапазоне частот методом прозвучивания с помощью цилиндрических пьезопреобразователей при прохождении упругих волн через трещину на ней происходит отражение волны, т.е. наблюдается потеря энергии волны. Степень отражения ультразвуковых волн определяется шириной раскрытия трещины, типом ее заполнения, углом падения волны на поверхность трещины и частотой падающей волны.

В случае, если модель трещины представляется в виде плоского слоя толщиной d из материала заполнителя трещины и на слой падает плоская гармоническая волна с круговой частотой ?=2?f, коэффициент ее прохождения через трещину, заполнителем которой является вода или горная порода с достаточно низкой скоростью.

K(?,?,d)=?((1+(?_(1C_1 )/(2?_2 ?C_2?^2 ))^2*1/(?cos?^2 (?) )*(?d)^2)?^(-1/2)

где ?2,?1-плотности соответственно материалов слоя (заполнителя трещин) однородного пространства массива;

C2,C1- скорость продольных волн в слое и в пространстве массива.

Для того, чтобы на приемнике получить достаточную амплитуду сигнала с ярковыраженным фронтом для возможности четкого измерения скорости распространения продольной волн, необходимо, чтобы коэффициент прохождения плоской волны через единичную трещину был не менее 0,5 при наибольшей величине падения угла при данной схеме прозвучивания массива. Рассчитывая зависимость коэффициента прохождения от параметра (?d) для различных значений угла падения волны на трещину ?, можно при известном среднем значении d на основании выше условия получить максимально возможное значение частоты волны, т.е. собственной частоты скважинного излучателя, такие расчеты помогают правильно выбрать частотный диапазон правильного излучаемого сигнала при прозвучивании трещиноватого массива, т.е. выбрать диаметр пьезоэлектрического цилиндрического пьезопреобразователя и, следовательно, определить минимальный размер скважин, в которых возможно проведение данных измерений.

K=1/v(1+(?_1 C_1)/(2?_2 ?C_2?^2 )*(?d)^2 )

?1=2350 кг/м^3, ?2=1,225 кг/м^3, K=0,5, d=0,1 мм С2=330 м/с, С1=4200 м/с

Исходя из формулы мы находим ?, а зная, что ?=2?f, определяем частоту.

f=453кГц 4

Показать полностью…
302 Кб, 22 декабря 2015 в 1:50 - Россия, Москва, НИТУ МИСиС, 2015 г., docx
Рекомендуемые документы в приложении