CC BY
11
© В.Л. Шкуратник, A.A. Кормнов, 2012
УДК 622.83:539.2
В.П. Шкуратник, A.A. Кормнов
ОБ ИСПОЛЬЗОВАНИИ СКВАЖИННЫХ ЭЛЕКТРОЕМКОСТНЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ДЛЯ АКУСТИКО-ЭМИССИОННЫХ ИЗМЕРЕНИЙ В ОКРЕСТНОСТЯХ ГОРНЫХ ВЫРАБОТОК
Приведены конструкция и технические характеристики электроемкостного преобразователя для проведения акустико-эмиссионны1х каротажнык измерений в приконтурном массиве для оценки его устойчивости. На конкретном примере показана возможность выявления с помощью указанных измерений участков геосре-ды1 с повышенной активностью деформационных процессов.
Ключевые слова: акустическая эмиссия, каротажные измерения, электроемкостной преобразователь, устойчивость приконтурного массива.
Л ля оценки устойчивости массива горных пород в окрестностях горных выработок, начиная с 60-х годов прошлого века, широко используются активные ультразвуковые (УЗ) методы. Последние предполагают прозвучивание УЗ импульсами участков массива между двумя параллельными скважинами на различных расстояниях 1 от контура выработки и последующий анализ полученных зависимостей Ср = /(1) или ар = /(1),
где Cp и ap
скорость распростра-
нения и затухание продольных упругих волн [1]. Первые попытки пассивного (акустико-эмиссионного) ультразвукового контроля состояния массива в окрестностях выработок были предприняты только в конце 80-х годов, но до настоящего времени они так и не стали носить массового характера [2]. Основная причина этого заключается в специфике возникающих в массиве УЗ сигналов акустической эмиссии (АЭ), которые отличаются относительно низкой интенсивностью, широкополосностью и значи-
тельным затуханием в нарушенной геосреде. В тоже время традиционно применяемые в геоконтроле сква-жинные пьезопреобразователи (ПП) являются резонансными, то есть достаточно узкополосными, а их реальную чувствительность существенно снижает несовершенство контактных условий ПП с поверхностью контрольного шпура или скважины. С учетом изложенного в настоящей работе рассматриваются возможности и преимущества реализации АЭ каротажа скважин в приконтурном массиве с использованием электроемкостных скважинных преобразователей (ЭЕСП).
Конструкция ЭЕСП представлена на рис. 1. Она включает: цилиндрический корпус 1 с радиальными отверстиями 2; верхнюю 3 и нижнюю 4 крышки из диэлектрического материала, установленные на торцах корпуса; внутреннюю 5 и наружную 6 эластичные оболочки из электропроводной резины, закрепленные с помощью бандажей по периметру краевых частей корпуса и крышек соответ-
Рис. 1. Конструкция ЭЕСП
ственно. В нижней крышке имеется центральное воздухоподводяшее отверстие, в котором закреплен штуцер 7 и дополнительное боковое воздухо-подводяшее отверстие, в котором закреплен штуцер 8. Таким образом, воздушный канал в штуцере 7 связан с полостью внутри корпуса 1 и соответственно, внутренней эластичной оболочкой, а канал в штуцере 8 - с полостью между внутренней и внешней эластичными оболочками. На нижней крышке соосно с центральным штуцером закреплена штанга 9 для подачи ЭЕСП на заданную глубину шпура.
Эффективность работы описанного преобразователя во многом определяется качеством внешней и внутренней оболочек, которые
должны иметь относительно высокие механическую прочность, эластичность и электрическую проводимость. Этим условиям удовлетворяют специальные электропроводяшие резины на основе углерода или бутади-ен-нитрильных каучуков, которые имеют удельное сопротивление ~0,5 Ом-см. При высокотемпературной вулканизации указанное сопротивление резко уменьшается (более чем в 50 раз).
Имеются и более совершенные электропроводные эластичные материалы. Разработанная в Японии технология их изготовления включает в себя перемешивание углеродных нанотрубок с ионной жидкостью и добавление полученной смеси в резину. В результате последняя сохраняет исходную эластичность и увеличивает свою электропроводность почти в 600 раз по сравнению с резиной, содержашей углеродные частицы [3].
ЭЕСП, внешний диаметр которого составляет 38 мм, работает следую-шим образом. С помошью штанги его подают на заданную глубину скважины. Далее, через боковой штуцер нагнетают под давлением 1,2 -1,5 атм. воздух в полость между внутренней и внешней эластичными оболочками, обеспечивая тем самым надежный контакт последней со стенками скважины. Затем через средний штуцер под давлением нагнетают воздух внутрь корпуса, откуда через радиальные отверстия он попадает в пространство, ограниченное внутренней эластичной оболочкой. Нагнетание воздуха через штуцер 7 заканчивают,
когда зазор между оболочками d составляет ~1 мм. Величину этого зазора можно контролировать по предварительно полученной тариро-вочной зависимости между величи-
ной зазора и емкостью цилиндрического конденсатора, образующегося между оболочками. Эта емкость составит
C=ea ■ 2nRl/d = k/d, (1)
где ea — абсолютная диэлектрическая
проницаемость воздуха; R — внутренний радиус внешней оболочки, а l — ее длина; k - константа.
Поскольку внутренняя оболочка за счет увеличенной толщины более жесткая, чем внешняя, то давление воздуха, подаваемого в полость внутри оболочки 5, превышает давление воздуха в полости между оболочками 5, 6 и составляет примерно 2,5—3 атм.
Затем с помощью двужильного кабеля, жилы которого подпаяны к внутренней и наружной оболочкам, прикладывают постоянное напряжение U. При воздействии акустических сигналов на наружную эластичную оболочку расстояние между ней и внутренней оболочкой изменяется на величину Д d, приводя к соответствующим изменениям емкости образованного оболочками конденсатора. С учетом того, что Д d << d
ДС = -k■ d-2 Д^. (2)
Поскольку k ■ d-2 ~ const, то ДС изменяется почти пропорционально Д d, а во внешней цели ЭЕСП протекает ток
I = U (dC / dt), (3)
изменяющийся в соответствии с принятым УЗ сигналом.
Относительно низкий уровень давления в полости между оболочками 5 и 6 обеспечивает свободные колебания наружной оболочки. В то же время колебаний внутренней оболочки практически не происходит, поскольку, являясь более жесткой, она
подпирается изнутри существенно большим давлением воздуха, чем давление, воздействующее со стороны наружной оболочки. Это и обеспечивает повышение чувствительности приема акустических сигналов. Экспериментальные оценки показывают, что при напряжении источника питания U = 10 В преобразователь позволяет регистрировать смещения Д d ~ 10-3 мм. При этом он имеет практически равномерную частотную характеристику в диапазоне от 15 до 150 кГц.
В качестве примера практического использования ЭЕСП рассмотрим полученные с его помощью результаты каротажных измерений АЭ в скважинах, пробуренных на двух участках кровли транспортного штрека 342, пройденного по пласту III шахты «Ленина» ОАО «Кузбасс-уголь». Предварительными активными УЗ измерениями с учетом имеющихся геологических данных было установлено, что непосредственная кровля в местах бурения представлена песчанистым сланцем и имеет мощность h1 = 0,8 м, а основная кровля - мелкозернистым песчаником.
Представленные на рис. 2 экспериментальные данные изменений с глубиной h активности АЭ NE и суммарной активности N свидетельствуют о возможности выявления по указанным параметрам границы основной и непосредственной кровли. Эти данные позволяют также судить о наличии и характере расслоения в области упомянутой границы.
Так зависимости NE = f(h) и N = f(h)
на рис. 2, а соответствуют случаю, когда на указанной границе имеется развивающееся расслоение, приво-
дяшее к повышенным значениям N и
N. Данные, представленные на рис. 2,
б, соответствуют случаю, когда переход от основной к непосредственной кровле содержит практически сомкнутую трешину, деформирование в области которой незначительно. Представленные результаты АЭ контроля (под-
тверждённые данными видеокаротажа контрольных скважин) свидетельствуют о перспективности использования электроемкостных скважинных преобразователей для оценки состояния приконтурного массива на основе акустико-эмиссионных каротажных измерений.
- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Ржевский В.В., Ямщиков B.C. Ультразвуковые методы контроля и исследования в горном деле. - М.: Недра, 1968. - 120 с.
2. Комплексные инженерно-геофизические исследования при строительстве гидротехнических сооружений. Под ред. А.И.
Савича и Б.Л. Коюнджича. - М.: Недра, 1990. - 462 с.
3. Takao Someya. Electro-conductive rubber on the basic of nanotechnologies //
NanoWeek, 2008, №31, p. 19-37. 52E
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -
Шкуратник В.Л. - доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой, Кормнов A.A. - студент,
Московский государственный горный университет, [email protected]
ГОРНАЯ КНИГА-2012
Освоение техногенных массивов на горных предприятиях
Гальперин A.M., Кутепов Ю.И., Кириченко Ю.В., Киянец A.B., Крючков A.B., Круподеров B.C., Мосейкин В.В., Жариков В.П., Семенов В.В., Клапперих X., Тамашкович Н., Чешлок X.
Год: 2012 Страниц: 336 ISBN: 978-5-98672-311-2 UDK: 622:577.4; 624.131.1:550.4
Отмечен существенный негативный вклад в нарушение окружающей среды техногенных массивов на горных предприятиях и определены направления их экологически безопасного освоения. Приведена характеристика горно-промышленных регионов с различными направлениями освоения техногенных массивов в России и Германии.
На основе многолетних инженерно-геологических, гидрогеомеханических и геолого-геохимических исследований реализован комплексный подход к экологически безопасному освоению техногенных массивов, включающий: применение оригинальных средств и способов интерактивного мониторинга; создание методики прогноза состояния намывных и насыпных массивов; гидромеханизированную разработку хвостохранилищ и гидроотвалов как обводненных техногенных месторождений; формирование отвальных насыпей на гидроотвалах; удаление способом гидромеханизации старых гидроотвалов для подготовки угольных месторождений к разработке; использование отработанных карьеров для размещения гидровскрыши и создания рекреационных зон.
