CC BY
43
© В.А. Асанов, В.Н. Токсаров, А.В. Евсеев,
Н.Л. Бельтюков, 2010
УДК 622.831
В.А. Асанов, В.Н. Токсаров, А.В. Евсеев,
Н.Л. Бельтюков
ОПЫТ ИЗУЧЕНИЯ АКУСТОЭМИССИОННЫХ ЭФФЕКТОВ В СОЛЯНЫХ ПОРОДАХ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СКВАЖИННОГО ГИДРОДОМКРАТА ГУДМАНА
Приведены результаты исследования акустоэмиссионных эффектов соляных пород в процессе одноосного нагружения стенок скважины гидродомкратом.
Ключевые слова: соляные породы, напряжение состояние, скважинный гидродомкрат,
акустическая эмиссия.
~П условиях рудника БКПРУ-2
J-J ОАО «Уралкалий» проведен комплекс экспериментальных исследований по изучению закономерностей проявления акустоэмиссионных эффектов соляных пород при циклическом нагружении стенки скважины одноосной нагрузкой. Эксперименты ориентированы на разработку перспективного метода контроля напряжений в породном массиве, основанного на способности горной породы запоминать уровень действия предыдущей нагрузки (эффект Кайзера) [1]. При этом за величину первичной нагрузки принимается величина напряжений, действовавших в массиве до бурения разгрузочной скважины. Восстановление исходного напряженного состояния околоскважинного массива осуществляется путем нагружения стенок скважины гидродомкратом [2, 3]. Об уровне действовавших на породу напряжений судят по скачкообразному изменению активности акустической эмиссии (АЭ) в процессе указанного восстановления.
Для натурных экспериментов использовался измерительный комплекс, включающий скважинный гидродом-
Семинар № 3
крат Гудмана и аппаратуру регистрации акустической эмиссии (рис. 1).
Скважинный гиродомкрат Гудмана фирмы Durham Geo Slope Indicator (США) представляет собой каротажный зонд, предназначенный для измерения деформации стенок скважины под действием приложенной нагрузки. В процессе измерений домкрат создает давление на стенки скважины в одной плоскости посредством двух стальных подвижных пластин (рис. 2).
Зонд спроектирован для использования в скважинах диаметром 76 мм. Максимальное гидравлическое давление, развиваемое гидроцилиндрами составляет 70 МПа. Конструкция домкрата обеспечивает коэффициент передачи давления на породу, равный 0,93. Предел перемещения подвижных пластин -11,4 мм. Контроль деформации стенок скважины осуществляется двумя индуктивными датчиками перемещения, установленными на концах гидродомкрата. При перемещениях до 5 мм датчики обеспечивают точность измерений - 15 мкм.
Контроль давления в ходе эксперимента осуществляется датчиком Метран-55.
Ручной гидравлический насос Энерпред Р-84 создает максимальное
выходное давление 70 МПа. Гидравлические шланги и насос имеют самоуплотняющиеся муфты.
Прием сигналов АЭ осуществляется непосредственно из нагружаемой области массива. Для этого на гидродомкрат устанавливается пьезокерамический датчик импульсов АЭ, обеспечивающий
Рис. 1. Измерительный комплекс для изучения акустоэмис-сионных эффектов в около-скважинном массиве горных пород: 1 - гидродомкрат Гудмана; 2
- высоконапорные шланги; 3, 4 -датчик (Метран-55) и регистратор (Метран-90і) давления; 5 - гидравлический насос Энерпред Р-84; б - прибор для измерения деформаций стенок скважины; 7 -усилитель; 8 - блок регистрации AЭ AEC-USB-і; 9 - ноутбук
прием сигналов в диапазоне частот 0,2^0,5 МГц.
В процессе проведения экспериментов осуществлялся следующий порядок работ. На первом этапе производилась локальная разгрузка приконтурного массива путем бурения скважины. Затем в скважину помещался гидродомкрат с преобразователем, соединенный с ручным насосом и манометром. Гидродомкрат досылался на заданную глубину и присоединялся к блоку регистрации АЭ, который, в свою очередь, подключался к ноутбуку. В цилиндры гидродомкрата под давлением нагнеталась рабочая жидкость. В результате нагружения в околоскважин-ном массиве возникают импульсы АЭ, принимаемые преобразователем.
На рис. 3 показан характер изменения параметров АЭ в процессе направленного циклического нагружения стенок скважины. Максимальное давление в гидросистеме в первом цикле нагружения составляло 15 МПа, во втором - 20 МПа, в третьем - 25 МПа. Установлено, что при достижении во втором и третьем цикле нагружения величины давления преды-
Рис. 2. Схема нагружения стенок скважины гидродомкратом Гудмана
Давление, МПа
Рис. 3. Графики изменения контролируемых параметров в процессе направленного циклического нагружения стенок скважины гидродомкратом Гудмана: а) суммарное количество импульсов АЭ; б) активность АЭ; в) давление в гидросистеме
а)
25
20
О
15
10
Г лубина 1,3 м (верт.)
10 20 | 30 40
Время,сёк
Время, сек
б)
“ 12
СО
ш
I
ш
ц
ш
го
а:
Г лубина 1,3 м (гор.)
10 2^ 30 40
Врел1я, сек
Время,сек
Рис. 4. Типичные графики изменения давления и активности акустической эмиссии от времени, полученные в процессе нагружения стенок скважины: а) вертикальное направление; б) горизонтальное направление
происходит скачкообразное увеличение количества импульсов АЭ. При этом об уровне предыдущей нагрузки можно судить по перегибу кривой на графике суммарного количества импульсов АЭ (рис. 3, а), либо по резкому (в 2-3 раза) увеличению интенсивности импульсов АЭ (рис. 3, б).
Дальнейшие исследованиями показали, что суммарное количество им-
пульсов АЭ не всегда является надежным критерием локализации величины напряжений, действующих в массиве. В некоторых случаях не удается идентифицировать точку перегиба кривой суммарного количества импульсов АЭ, что обусловлено наличием высокого уровня шума, связанного с перемятием неровностей стенки скважины гидродомкратом на начальной стадии де-
формирования. В этом случае наиболее информативным параметром является интенсивность АЭ, измеряемая количеством импульсов АЭ в единицу времени.
Следует отметить, что резкое изменение параметров АЭ также происходит и в первом цикле нагружения при достижении определенного уровня давления, обусловленного, по-видимому, величиной напряжений, действующих в массиве до разгрузки (рис. 3) [1]. При нагружении стенок скважины гидродомкратом спустя сутки после ее бурения эмиссионные эффекты в горной породе отсутствовали, что свидетельствует о том, что сохранность проявления эмиссионных эффектов памяти соляных пород в околоскважинном участке массива невелика и составляет несколько часов.
Резкие изменения активности АЭ в процессе нагружения стенок скважины фиксируются на различных уровнях давления, как в вертикальной, так и в горизонтальной плоскости (рис. 4). Проведение измерений в двух различных плоскостях в одной и той же измери-
тельной точке приводит к стиранию эмиссионных эффектов памяти во втором опыте за счет влияния первого цикла нагружения.
Таким образом, в результате выполненных экспериментов можно сделать следующие выводы:
- нагружение стенок скважины гидродомкратом должно производиться сразу же после ее бурения и зачистки;
- контроль уровня действующих в соляном массиве напряжений на основе использования эмиссионных эффектов памяти может осуществляться как по суммарному количеству импульсов АЭ, так и по интенсивности АЭ;
- определение величин напряжений, действующих в массиве в различных плоскостях должно осуществляться в измерительных точках в скважине, разнесенных друг относительно друга, не менее чем на 0,3 м.
Целью дальнейших исследований является разработка методики количественной оценки напряжений, действующих в массиве, в различных плоскостях.
Работа выполнена при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (грант 09-05-00902 «Контроль напряженного состояния грузонесущих элементов системы разработки соляных пород акустоэмиссионными методами»).
--------------------------------------------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Лавров А.В., Шкуратник В.Л., Филимонов Ю.Л. Акустоэмиссионный эффект памяти в горных породах.-М.: Изд-во МГГУ, 2004.
2. Watters R.J., Soltani A.M. Directional acoustic emission activity in response to borehole deformation in rock masses // Proc. 26th U.S.
Symp. on Rock Mech. - Rotterdam: A.A.Balkema, 1985.- Vol.2.
3. Lord A.E., Koerner R.M. Field determination of prestress (existing stress) in soil and rock masses using acoustic emission // Journal of Acoustic Emission.- 1985.- Vol. 4.- No. 2/3.
— Коротко об авторах -------------------------------
Асанов В.А. - доктор технических наук, профессор, Евсеев А.В., Токсаров В.Н., Бельтюков Н.Л. —
Г орный институт УрО РАН, г. Пермь, [email protected]
6
