RU2046376C1 - Способ оценки напряженного состояния горных пород - Google Patents
Способ оценки напряженного состояния горных пород Download PDFInfo
- Publication number
- RU2046376C1 RU2046376C1 SU5049879A RU2046376C1 RU 2046376 C1 RU2046376 C1 RU 2046376C1 SU 5049879 A SU5049879 A SU 5049879A RU 2046376 C1 RU2046376 C1 RU 2046376C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- rocks
- pulses
- rock
- cracks
- seismic
- Prior art date
Links
Landscapes
- Geophysics And Detection Of Objects (AREA)
Abstract
Использование: в области сейсмоакустических исследований горных выработок и скважин. Сущность изобретения: в двух точках исследуемого интервала скважины проводят синхронные измерения параметров продольных и поперечных колебаний. По разности времен (фаз), длительности, амплитуде, частотным спектрам определяют скорости распространения этих колебаний, положение и величину сейсмического момента, а также линейные размеры трещин или угловые частоты спектра. По соотношению указанных параметров оценивают напряженное состояние горных пород.
Description
Изобретение относится к области сейсмоакустических исследований и может быть использовано при оценке напряженного состояния горных пород.
Известен способ оценки напряженного состояния горных пород, основанный на измерении параметров упругих импульсов, возбуждаемых при акустическом каротаже [1] Этот способ с использованием многоэлементных зондов позволяет измерять скорости распространения упругих волн на различных базах и по тарировочным зависимостям изменения скоростей от давления, установленным на образцах керна литологических разностей по скважине, оценивают вертикальную и горизонтальную компоненты напряжений.
Принципиальным недостатком известного способа является необходимость получения и использования тарировочных кривых, что связано с такими трудоемкими операциями, как отбор керна и измерение скорости упругих волн на образцах керна при различных давлениях. В конечном счете это снижает достоверность оценки напряжений в горном массиве.
Известен также способ оценки напряженного состояния горной породы, основанный на измерении параметров упругих импульсов акустической эмиссии, возникающей при образовании трещин в породе (в отобранных из массива образцах под действием контролируемого давления, т.е. с использованием эффекта Кайзера [2]
Данный способ не позволяет достаточно достоверно оценить напряженное состояние горной породы, так как извлеченный образец может не сохранить неизменной "память" о действовавших в массиве напряжениях из-за механических воздействий при отборе, потере флюида, дегазации и т.д.
Данный способ не позволяет достаточно достоверно оценить напряженное состояние горной породы, так как извлеченный образец может не сохранить неизменной "память" о действовавших в массиве напряжениях из-за механических воздействий при отборе, потере флюида, дегазации и т.д.
Целью изобретения является повышение достоверности оценки напряженного состояния в массиве горной породы, вскрытом горной выработкой.
Цель достигается тем, что в известном способе оценки напряженного состояния горной породы, основанном на измерении параметров упругих импульсов акустической эмиссии, возникающей при образовании трещин в породе, в исследуемом интервале горной выработки измеряют синхронно по крайней мере в двух точках, отстоящих друг от друга на расстояния, сопоставимые с задаваемой глубинностью изучения массива вокруг выработки разности времен (фаз) между импульсами продольных и поперечных колебаний в каждой точке и между соответствующими импульсами в разных точках, их длительность, амплитуды и частотные спектры, по совокупности полученных данных определяют скорости распространения импульсов, положение, величину сейсмического момента, линейные размеры трещин или угловые частоты спектра, по соотношению которых оценивают напряженное состояние горных пород.
Предлагаемый авторами способ основан на приеме, измерении и определении характеристик импульсов сейсмоакустической эмиссии, сопровождающей образование трещин и других дефектов в горных породах. Известно, что начиная с верхних горизонтов и до глубин, вскрытых сверхглубокими скважинами, среда имеет дискретную структуру с иерархией размеров различных по форме составных элементов как в осадочной толще, так и в кристаллических комплексах пород. Гравитационные, тектонические и другой природы эндогенные и экзогенные силы, различные физико-химические процессы создают в такой среде неравномерно распределенные напряжения. Под действием таких напряжений в среде происходит перестройка контактов между структурными элементами, возникновение новых дефектов, сопровождающееся возбуждением упругих колебаний, которые несут информацию о физико-механических свойствах и напряженном состоянии пород.
В данном способе можно использовать как спонтанную, так и искусственно вызванную вибрацией за счет триггерного механизма акустическую эмиссию пород.
Предлагаемый способ осуществляется следующим образом. В горной выработке (в дальнейшем для определенности будем говорить о скважине) в заданном интервале в двух или большем числе точек с расстояниями между ними, сопоставимыми с глубинностью изучаемого околоскважинного пространства, устанавливают датчики упругих колебаний, синхронно принимают, усиливают и передают импульсы сейсмоакустической эмиссии к аппаратуре измерений и обработки. При этом измеряют разность времен (фаз) между импульсами продольных и поперечных волн в каждой из точек (Δtps1,Δtps2) и между соответствующими импульсами в разных точках (Δtp12,Δts12) их длительность Тр, Тs, амплитуды импульсов продольных и поперечных колебаний (Ар, Аs), а также скорость гидроволны Vr. Полученных данных достаточно для оценки напряженного состояния горных пород. Действительно, используем последовательно следующие процедуры.
1. Решение системы уравнений пеленгации для определения координат источника других импульсов r,z,φи скоростей продольной Vp, поперечной Vsволн:
R1 (Vp Vs)Δtps1, R2 (Vp Vs)Δtps2
R2 R2 Vp Δtp12, R2 R1 VsΔ ts12, где Δtps1; Δtps2 измеряемые разности времен между вступлением продольных и поперечных волн в т.1 и 2,
Δt12, Δts12 измеряемые разности времен однотипных волн в т.1 и 2,
R (r2 + Z2)1/2 расстояния от т.1 и 2 до источника.
R1 (Vp Vs)Δtps1, R2 (Vp Vs)Δtps2
R2 R2 Vp Δtp12, R2 R1 VsΔ ts12, где Δtps1; Δtps2 измеряемые разности времен между вступлением продольных и поперечных волн в т.1 и 2,
Δt12, Δts12 измеряемые разности времен однотипных волн в т.1 и 2,
R (r2 + Z2)1/2 расстояния от т.1 и 2 до источника.
В случае использования одного типа волн количество точек измерения увеличивается и должно быть не менее четырех.
2. Определение сейсмического момента М через амплитуды смещений (колебательной скорости или ускорения) Ai в Р или s волнах в одной из точек измерения, частотно-спектральные или временные характеристики источника F (ω, T), функции пространственного изменения Р или s волн Ri(r,z,φ) скорости соответствующих волн и плотность пород: M Ai (1)
Плотность пород определяется через скорость гидроволны и скорость продольной или поперечной волны (возможны, конечно, независимые от сейсмоакустических определения ρ). Выражения для F (ω, T) и Ri(r,z, φ), относящиеся, например, к наиболее распространенной модели разрыва сдвиговой дислокации приведены в известной работе, а значения параметров в F ( ω, T) находятся из отношений амплитуд смещений на разных частотах.
Плотность пород определяется через скорость гидроволны и скорость продольной или поперечной волны (возможны, конечно, независимые от сейсмоакустических определения ρ). Выражения для F (ω, T) и Ri(r,z, φ), относящиеся, например, к наиболее распространенной модели разрыва сдвиговой дислокации приведены в известной работе, а значения параметров в F ( ω, T) находятся из отношений амплитуд смещений на разных частотах.
Положение источника в плоскости z zo, т.е. координата φ определяется относительно фиксированной диаграммы направленности измерительной системы. При осевой симметрии расположения датчиков (круговая диаграмма направленности) координата φ не определяется, хотя можно установить ориентацию плоскости разрыва к плоскости, проходящей через точки нахождения источника и датчиков, используя отношение амплитуд продольной и поперечной волн в одной точке или отношение амплитуд однотипных колебаний в разных точках.
3. Оценки сдвиговых напряжений в среде по измеренной скорости поперечных волн, линейным размерам трещин или угловым частотам спектра упругих импульсов и сейсмическим моментам, определенным по п.2, которые для модели сдвиговой дислокации имеют также другое представление:
M=ρVs 2ldΔl, где l и d длина и ширина разрыва;
Δl подвижка по разрыву.
M=ρVs 2ldΔl, где l и d длина и ширина разрыва;
Δl подвижка по разрыву.
В предположении, что действующие напряжения не превосходят предела упругости, а следовательно, справедлив закон Гука и скорость разрыва равна скорости волны Рэлея, напряжения оцениваются по формуле
σ где l 0,9 VsT; T длительность импульса,
α- отношение ширины к длине разрыва, или по формуле
σ M где f1 так называемая первая угловая частота; f2 вторая, зависящая от геометрической формы разрыва (отношения l и d). Направление сдвиговых напряжений устанавливается по ориентации сейсмического момента.
σ где l 0,9 VsT; T длительность импульса,
α- отношение ширины к длине разрыва, или по формуле
σ M где f1 так называемая первая угловая частота; f2 вторая, зависящая от геометрической формы разрыва (отношения l и d). Направление сдвиговых напряжений устанавливается по ориентации сейсмического момента.
П р и м е р. Измерения проводились в скважине глубиной 25 м. База между двумя датчиками-геофонами составляла 10 м. Для увеличения отношения сигнал/помеха порог регистрации был установлен таким, что частота следования импульсов соответствовала 1 имп/ч.
Разность времен прихода одного и того же импульса на два датчика была 2,5 мс. Длительность импульса 1,8 мс. В частотных спектрах выделяются угловые частоты f1 560 Гц, f2 870 Гц. По измеренной скорости гидроволны и известной плотности жидкости в скважине ρo и скорости продольной волны в ней Vо определялся модуль сдвига G ρv = ρov
Плотность пород ρ в данном случае была известна из независимых измерений и равнялась 2700 кг/м. Поэтому Vs 2000 м/c. Из решения уравнений пеленгации получены координаты источника:
r 36 м; z 26 м
Подставляя в формулу (1) значения амплитуды колебательной скорости с учетом поправок на влияние скважины, определяем М 1,9˙105 нм. В результате оцениваем величины сдвиговых напряжений в верхнем комплексе пород: σ 104 Па.
Плотность пород ρ в данном случае была известна из независимых измерений и равнялась 2700 кг/м. Поэтому Vs 2000 м/c. Из решения уравнений пеленгации получены координаты источника:
r 36 м; z 26 м
Подставляя в формулу (1) значения амплитуды колебательной скорости с учетом поправок на влияние скважины, определяем М 1,9˙105 нм. В результате оцениваем величины сдвиговых напряжений в верхнем комплексе пород: σ 104 Па.
Определение напряжений в нескольких горных выработках позволяет получить пространственное распределение напряжений.
Основными преимуществами предлагаемого способа являются дистанционность, т. е. возможность получения оценок напряженного состояния пород не в точке измерения, а на значительных удалениях от нее; универсальность, т.е. возможность применения в различных горно-геологических условиях.
Claims (1)
- СПОСОБ ОЦЕНКИ НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ ГОРНЫХ ПОРОД, основанный на измерении параметров упругих импульсов акустической эмиссии при образовании трещин в породе, отличающийся тем, что в исследуемом интервале горной выработки по крайней мере в двух точках, отстоящих одна от другой на растояние, сопоставимое с задаваемой глубинностью изучения массива вокруг выработки, синхронно измеряют разности времен или фаз между импульсами продольных и поперечных колебаний в каждой точке и между соответствующими импульсами в разных точках, их длительность, амплитуды и частотные спектры, по совокупности полученных данных определяют скорости распространения импульсов указанных типов колебаний, положение и величину сейсмического момента, линейные размеры трещин или угловые частоты спектра, по соотношению которых оценивают напряженное состояние горных пород.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
SU5049879 RU2046376C1 (ru) | 1992-06-29 | 1992-06-29 | Способ оценки напряженного состояния горных пород |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
SU5049879 RU2046376C1 (ru) | 1992-06-29 | 1992-06-29 | Способ оценки напряженного состояния горных пород |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2046376C1 true RU2046376C1 (ru) | 1995-10-20 |
Family
ID=21608106
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
SU5049879 RU2046376C1 (ru) | 1992-06-29 | 1992-06-29 | Способ оценки напряженного состояния горных пород |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2046376C1 (ru) |
Cited By (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2480792C2 (ru) * | 2010-07-08 | 2013-04-27 | Вычислительный центр Дальневосточного отделения Российской академии наук | Способ контроля изменения трещиноватости в массиве горных пород |
RU2498353C1 (ru) * | 2012-06-07 | 2013-11-10 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки вычислительный центр Дальневосточного отделения Российской академии наук | Способ контроля изменения несплошности в массиве горных пород |
RU2520959C1 (ru) * | 2013-02-12 | 2014-06-27 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки вычислительный центр Дальневосточного отделения Российской академии наук | Способ контроля изменения напряженно-деформированного состояния массива горных пород |
RU2570824C1 (ru) * | 2014-07-22 | 2015-12-10 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки вычислительный центр Дальневосточного отделения Российской академии наук | Способ контроля изменения физико-механического состояния массива горных пород |
EA022596B1 (ru) * | 2012-11-02 | 2016-01-29 | Общество С Ограниченной Ответственностью "Центр Прикладных Исследований И Инноваций Ипкон" (Ооо "Цпии Ипкон") | Способ контроля и определения опасного состояния массива горных пород при подземных горных работах |
-
1992
- 1992-06-29 RU SU5049879 patent/RU2046376C1/ru active
Non-Patent Citations (2)
Title |
---|
1. Методические рекомендации по изучению напряженно-деформированного состояния горных пород при различных стадиях геолого-разведочного процесса. МР 41-06-079-86. М., 1987, с.127. * |
2. Ильинов М.Д. Определение напряжений в горных массивах по акустической эмиссии пород. Сб.научных трудов "Прогноз геомеханических процессов и управление горным давлением на шахтах". Л., 1985, с.68-73. * |
Cited By (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2480792C2 (ru) * | 2010-07-08 | 2013-04-27 | Вычислительный центр Дальневосточного отделения Российской академии наук | Способ контроля изменения трещиноватости в массиве горных пород |
RU2498353C1 (ru) * | 2012-06-07 | 2013-11-10 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки вычислительный центр Дальневосточного отделения Российской академии наук | Способ контроля изменения несплошности в массиве горных пород |
EA022596B1 (ru) * | 2012-11-02 | 2016-01-29 | Общество С Ограниченной Ответственностью "Центр Прикладных Исследований И Инноваций Ипкон" (Ооо "Цпии Ипкон") | Способ контроля и определения опасного состояния массива горных пород при подземных горных работах |
RU2520959C1 (ru) * | 2013-02-12 | 2014-06-27 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки вычислительный центр Дальневосточного отделения Российской академии наук | Способ контроля изменения напряженно-деформированного состояния массива горных пород |
RU2570824C1 (ru) * | 2014-07-22 | 2015-12-10 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки вычислительный центр Дальневосточного отделения Российской академии наук | Способ контроля изменения физико-механического состояния массива горных пород |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US6098021A (en) | Estimating formation stress using borehole monopole and cross-dipole acoustic measurements: theory and method | |
US6611761B2 (en) | Sonic well logging for radial profiling | |
US20100157737A1 (en) | Microhydraulic fracturing with downhole acoustic measurement | |
CA1290842C (en) | Acoustic well logging method and system for obtaining a measure of formation anisotropy | |
JP2007231729A (ja) | トンネル建設の際に事前探査するための方法および装置 | |
CA2200246C (en) | Method for estimating the hydraulic conductivity of a borehole sidewall fracture | |
US5109947A (en) | Distributed seismic energy source | |
US4713968A (en) | Method and apparatus for measuring the mechanical anisotropy of a material | |
RU2006126790A (ru) | Скважинная библиотека эталонных импульсов для работ с вертикальным сейсмическим профилированием в процессе бурения | |
McKenzie et al. | Ultrasonic characteristics of a rock mass | |
JP2000170478A (ja) | トンネル切羽前方探査方法 | |
RU2046376C1 (ru) | Способ оценки напряженного состояния горных пород | |
US4105993A (en) | Method for determining elastic constants of geological formations | |
Živor et al. | Measurement of P-and S-wave velocities in a rock massif and its use in estimation elastic moduli | |
Shkuratnik et al. | Ultrasonic correlation logging for roof rock structure diagnostics | |
US4008608A (en) | Method of predicting geothermal gradients in wells | |
US6490529B1 (en) | Method for customizing seismic explosives | |
Siskind et al. | Blast vibration measurements near and on structure foundations | |
JP2000186319A (ja) | 地盤調査方法 | |
AU2002249800A1 (en) | Method for customizing seismic explosives | |
JPH0820438B2 (ja) | 地層の物理特性の音響波を用いた非破壊測定方法 | |
JP2004346567A (ja) | 切羽前方探査方法 | |
Asanuma et al. | Triaxial inverse VSP uses drill bits as a downhole seismic source | |
Vilhelm et al. | Seismic measurements on a rock massif surface at short distances | |
Olsson et al. | Crosshole investigations |