СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ РАЗМЕРОВ ТРЕЩИНЫ В ПОРОДАХ
METHOD OF DETERMINING SIZE OF CRACKS IN ROCKS

Изобретение относится к горной промышленности и может быть использовано на рудных и нерудных месторождениях для контроля развития трещин в породах в процессе добычи различных полезных ископаемых с целью обеспечения безопасности горных работ.
Известен способ оценки напряженного состояния горных пород, основанный на измерении упругих импульсов акустической эмиссии при образовании трещин в породе за счет динамических проявлений горного давления [1]. В способе в двух точках горной выработки синхронно измеряют разности времен или фаз между импульсами продольных и поперечных колебаний в каждой точке, оценивают их длительность, амплитуды и частотные спектры и по совокупности полученных данных определяют скорости распространения указанных упругих колебаний, положение и величину сейсмического момента, линейные размеры трещин и угловые частоты спектра. Размеры трещины определяют по соотношению угловых частот. В способе оценка размеров трещин основана на регистрации продольных и поперечных волн, излучаемых в процессе образования трещин. Сам процесс развития трещины во времени не исследуется. Недостатком этого способа является опосредованное определение размера трещины с использованием приближенных формул.
Наиболее близким (прототип) к заявляемому изобретению является метод численного моделирования кинетики (процесса развития) магистральной трещины при динамическом нагружении [2]. С помощью моделирования детально изучен процесс развития трещин, сделана оценка средней скорости развития трещин. Показано, что предельной скоростью развития трещины является скорость волны Рэлея в среде. Понятие магистральной трещины включает образование свободных поверхностей, которые разделяют объект на две части, например блок горной породы, а микротрещины могут образовываться внутри блока.
С учетом выявленного, путем моделирования процесса развития магистральной трещины, скачкообразного развития трещин, авторами предложен способ определения длины трещины на основе регистрации упругих колебаний, возбуждаемых в процессе развития трещины, сейсмическими датчиками, установленными вблизи объекта контроля. Заявляемый способ определения размеров трещины устраняет недостаток известных способов, где сам процесс развития трещины не исследуется. Способ позволяет по регистрационным записям одного или более датчиков, расположенных в скважинах или в штольне на определенном удалении от трещины, определить по длительности (времени) развития трещины и известной скорости развития трещины ее линейные размеры.
Техническим результатом настоящего изобретения является способ определения размеров трещины в породах путем регистрации процесса образования магистральной трещины с помощью одного или более сейсмических датчиков, установленных в скважине или в штольне, расположенной на небольшом расстоянии от трещины. По регистрационным записям полученных сигналов определяют временной интервал процесса образования магистральной трещины путем вычисления разности между моментами времени начала релаксации трещины и моментом первого вступления сейсмической волны, определяющим начало развития трещины, и по известной скорости процесса трещинообразования (скорость волны Релея) определяют ее длину. При необходимости оценивают реальный размер трещины с помощью бурения скважин с отбором керна, чем обеспечивают более точный контроль размеров магистральной трещины в горных породах при изменении напряженно-деформированного состояния в процессе разработки месторождения.
R
R
2
1
Технический результат достигается тем, что в заявленном способе определения размеров трещины в породах, как и в прототипе, учитывают процесс скачкообразного развития магистральной трещины со средней скоростью, близкой kV, где k≈0.7, однако регистрацию процесса образования магистральной трещины осуществляют в одной или нескольких точках в скважине или в штольне с помощью сейсмических датчиков и регистрирующей аппаратуры, по регистрационным записям посредством преобразования Гильберта определяют временной интервал процесса образования магистральной трещины путем вычисления разности между моментами времени начала релаксации трещины и моментом первого вступления сейсмической волны, определяющим начало развития трещины, и по известному или найденному экспериментально значению коэффициента k определяют ее длину по формуле L=kV(t-t), сравнивают размер магистральной трещины с величиной трещины, наблюдаемой при контроле путем бурения скважин с отбором кернов, и таким образом обеспечивают более точный контроль процесса размеров магистральной трещины с целью обеспечения безопасности процесса горных работ на месторождении.
Суть способа.
Развитие трещин в горных породах достаточно сложный процесс, которому посвящено большое количество теоретических экспериментальных исследований [4, 5].
R
Определение закона движения трещины теоретически определяется путем решения динамической задачи механики разрушения с подвижными границами, например как это описано при численном моделировании кинетики магистральной трещины [2]. С помощью численного моделирования кинетики магистральной трещины в твердых телах, посредством инициирования трещины динамическим нагружением, доказано, что развитие трещины носит скачкообразный характер, первое страгивание трещины, скачок перемещения вершины трещины происходит со скоростью волны Рэлея - скачок сменяется полной остановкой на непродолжительное время. В процессе остановки роста трещины происходит накопление упругой энергии в области вершины трещины. После выполнения критерия разрушения происходит новый скачок, затем остановка и так далее. При этом скорость роста трещины внутри скачка соответствует скорости волны Рэлея. По мере развития трещины ее средняя скорость несколько нарастает, при этом средняя скорость развития трещины не достигает предельной величины (скорости волны Рэлея в среде), она выходит по мере роста трещины на максимальную скорость порядка 0.7 V в соответствие с работой [2].
В породах, за счет изменения напряженно-деформированного состояния в процессе разработки месторождений полезных ископаемых, возникают зоны трещинообразования. Если в зоне образования трещины разместить в скважинах или в штольне один или несколько датчиков для регистрации упругих колебаний, возбуждаемых в процессе образования магистральной трещины, то можно зарегистрировать процесс образования магистральной трещины во времени. При этом с учетом быстрого затухания высокочастотных упругих колебаний, излучаемых в процессе развития трещины, регистрацию сигналов необходимо осуществлять на удалениях не более длины упругой волны. Таким образом, датчики необходимо размещать в ближней зоне источника упругих колебаний.
По регистрационным записям процесса развития магистральной трещины во времени определяют начало и конец трещинообразования, а именно время процесса трещинообразования. Для выделения периода трещинообразования используют преобразование Гильберта, которое позволяет по регистрационным записям получить зависимости изменения мгновенной частоты и фазы упругих колебаний в процессе развития трещины. При этом мгновенная частота и фаза изменяются в процессе развития трещины следующим образом: частота в среднем падает с осцилляцией по мере расширения трещины до момента начала релаксационного процесса, а фаза в этот период растет нелинейно. Во время релаксационного процесса изменение фазы во времени практически линейно.
При этом монотонное падение частоты связано с процессом развития трещины (с возрастанием ее размеров), а в периоды возрастания мгновенной частоты происходит накопление упругой энергии в области вершины трещины (размер трещины не меняется).
Безразмерный коэффициент k можно оценить следующим образом:
1,
2
мгн
где tt - время начала и конца процесса образования трещины; ω(t) - мгновенная частота, определенная посредством преобразования Гильберта;
Далее длина трещины вычисляется следующим образом:
R
2
1
L=kV(t-t).
Последняя формула соответствует развитию трещины в одном направлении от границы блока пород, в случае развития трещины в центральной части блока и двухстороннего развития трещины длина должна быть удвоена.
Таким образом, определение длины магистральной трещины позволяют обеспечить контроль процесса развития трещин при изменении напряженно-деформированного состояния горных пород для обеспечения безопасного проведения горных работ на месторождениях полезных ископаемых.
Способ осуществляют следующим образом.
На месторождении полезных ископаемых, где производятся горные работы, устанавливают в скважинах или в штольне один или несколько трехкомпонентных сейсмических датчиков для регистрации упругих колебаний, возбуждаемых в процессе образования магистральных трещин. С помощью нескольких трехкомпонентных датчиков и регистраторов типа Reftek осуществляют синхронную регистрацию упругих колебаний, наблюдаемых в области контроля динамических проявлений горного давления на месторождении. Регистрация осуществляется в режиме реального времени в течение длительного периода. Длительная запись микроколебаний в окрестности скважины или штольни позволяет зарегистрировать процесс образования магистральной трещины во времени при ее возникновении. При этом с учетом быстрого затухания высокочастотных упругих колебаний, которые излучаются в процессе развития трещины, регистрация сигналов осуществляется на удалениях не более длины упругой волны, то есть датчики размещаются в ближней зоне источника упругих колебаний.
Регистрация осуществляется синхронно одним или несколькими сейсмическими датчиками с привязкой по времени с технологическими процессами производства на месторождении. Современная аппаратура регистрации позволяет проводить непрерывную регистрацию микросейсмических упругих колебаний большим количеством каналов в течение продолжительного (необходимого) времени. Из длительных записей контроля трещинообразования выделяются сигналы, соответствующие упругим колебаниям, возбуждаемым в процессе развития магистральных трещин в породах. Эти сигналы в отличие от техногенных сигналов, связанных с производством работ и естественным микросейсмическим фоном на месторождении, имеют свои особенности. После вступления упругой волны частота колебаний падает по мере расширения трещины до момента начала релаксационного процесса, а фаза в этот период растет нелинейно. Во время релаксационного процесса изменение фазы во времени практически линейно. То есть наблюдается четкое изменение в сторону нижних частот спектра упругих колебаний, обусловленных развитием трещины в породах, и по конфигурации процесса колебаний можно выделить сигналы, обусловленные развитием трещин.
Из длительных регистрационных записей нескольких трехкомпонентных сейсмических датчиков выделяются сигналы, связанные с процессом трещинообразования, которые в дальнейшем обрабатываются.
В основе метода обработки лежит преобразование Гильберта, которое позволяет выделить (демодулировать) из колебательного процесса его мгновенную амплитуду (огибающую), мгновенную фазу и мгновенную частоту. С помощью преобразования Гильберта определяют зависимости изменения мгновенной частоты и фазы упругих колебаний в процессе развития трещины. При этом мгновенная частота и фаза изменяются в процессе развития трещины следующим образом: частота падает по мере расширения трещины до момента начала релаксационного процесса, а фаза в этот период растет нелинейно. Во время релаксационного процесса изменение фазы во времени практически линейно. Кроме того, посредством вычисления интеграла от мгновенной частоты процесса в соответствии с формулой (1) вычисляется величина средней скорости роста магистральной трещины.
Полученные в процессе регистрации и обработки данные по трещинообразованию в породах характеризуют напряженно-деформированное состояние пород на месторождении.
Таким образом, предложенный способ определения размеров трещин позволяет контролировать процессы динамических проявлений горного давления на месторождениях полезных ископаемых и обеспечивать безопасное производство горных работ.
Перечень графических иллюстраций применения предлагаемого метода.
Фиг.1 - регистрационные записи упругих колебаний процесса развития магистральной трещины.
Фиг.2 - мгновенные частоты упругих колебаний в зависимости от времени развития магистральной трещины.
Фиг.3 - мгновенные фазы упругих колебаний в зависимости от времени развития магистральной трещины.
Фиг.4 - зависимость средней скорости распространения трещины от времени.
Пример. Способ определения размеров трещины был апробирован в процессе контроля развития магистральных трещин на льду реки Обь при весеннем изменении уровня воды.
На фиг.1 представлены записи сейсмического сигнала упругих колебаний, полученные в процессе развития магистральной трещины общей длиной 400 метров, зарегистрированные в ближней зоне с помощью трехкомпонентного сейсмического датчика. На графике видно падение частоты упругих колебаний и возрастание амплитуды в интервале времени от 0.5 до 0.9 с в процессе роста магистральной трещины. Релаксационный процесс колебания свободных границ трещины наблюдается после момента времени 0.9 с достаточно продолжительное время (до нескольких секунд). На графике показана первая секунда этого процесса.
На фиг.2 представлена мгновенная частота сигнала упругих колебаний, изменяющаяся во времени в процессе развития магистральной трещины. Видно, что действительно на начальном этапе развития трещины процесс роста происходит скачкообразно (первая 0.1 с колебаний), далее частота в среднем падает по мере развития трещины.
На фиг.3 приведена мгновенная фаза упругих колебаний в процессе роста магистральной трещины. Видно, что в конце развития трещины зависимость фазы от времени становится практически линейной.
График изменения средней скорости роста трещины от времени, нормированный на скорость волны Рэлея, приведен на фиг.4. Вначале процесса средняя скорость резко падает более чем в два раза, далее в процессе роста скорость растет, достигая значения 0.65, что хорошо согласуется с теоретическими расчетами [2].
Обработка полученных сигналов позволила определить время между моментом времени начала трещинообразования и временем начала релаксации. Разность времен характеризует время развития трещины, которая составляет величину Δt=0.43 с. С учетом вычисленной величины скорости распространения разрыва определена длина магистральной трещины, которая равна 400 метров.
Следует отметить, что на записях выделяются дополнительные импульсы, которые характеризуют сложный процесс трещинообразования. Однако, как видно из полученных записей, на фоне сложного процесса трещинообразования можно выделить сигнал, характеризующий образование магистральной трещины, и оценить длину этой трещины.
Полученные данные подтверждают возможность контроля процесса развития трещины при производстве горных работ на месторождениях предлагаемым способом.
Источники информации
1. Способ оценки напряженного состояния горных пород. Патент РФ №2046376, Кл. G01V 1/40, E21C 39/00, 1995.
2. Рыжаков А.Н. Численное моделирование кинетики магистральной трещины в хрупких и квазихрупких твердых телах. Динамические системы, 2004, Вып.18. С.133-144.