Способ обнаружения механических напряжений горных пород

 

Использование: контроль напряженного состояния массива горных пород. Сущность: для контроля напряженного состояния используется радиоволновое просвечивание с расположением источника и приемника в скважине в низкопроводящем пласте, заключенном между высокопроводящими пластами такими, что выполняются условия волноводного распространения , о изменении напряженного состояния просвечиваемого массива судят по изменению разности фаз между принятым и опорным сигналом. 1 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (51)5 G 01 V 3/12

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4772657/25 . (22) 22.12.89 (46) 30.03,93. Бюл. N 12 . (71) Ленинградский государственный университет (72) M.È.Áåëåíüêèé и B.Ë,eðèäðèõ (56) Альпин А.М, Теория дипольных зондирований. M.: Гостоптехиздат, 1950, с.15 — 35, Методы и средства контроля состояния и свойств горных пород в массиве. M.; Недра, 1989, с.4-8. (54) СПОСОБ ОБНАРУЖЕНИЯ МЕХАНИЧЕСКИХ НАПРЯЖЕНИЙ ГОРНЫХ ПОРОД

Изобретение относится к области электроразведки и может быть применено для контроля вариаций электрических параметров пород, вызванных механическими напряжениями, в частности в период подготовки землетрясения.

Цель изобретения — увеличение размеров контролируемой области и снижение трудоемкости измерений.

Сущность предлагаемого способа состоит в следующем. Из геологических дан- ных следует возможность существования структур слоистого типа с удельными проводимостями, изменяющимися с глубиной погружения. При этом реализуются ситуации, когда слой с высокой проводимостью сменяется слоем с низкой проводимостью, за которым опять следует слой с высокой проводимостью.

В своей совокупности такие три слоя образуют волновод, в котором возможна канализация энергии распространяющихся радиоволн при условии, что длина волны находится в определенном соотношении с геометрическим размером волновода, а

„„Я) „„1805429 А1 (57) Использование: контроль напряженного состояния массива горных пород, Сущность: для контроля напряженного состояния используется радиоволновое просвечивание с расположением источника и приемника в скважине в низкопроводящем пласте; заключенном между высокопроводящими пластами такими, что выполняются условия волноводного распространения, о изменении напряженного состояния просвечиваемого массива судят по изменению разности фаз между принятым и опорным сигналом, 1 ил, именно. с расстоянием между границами слоев с более высокой проводимостью, При использовании метода радиопросвечивания, применяемого в геофизике, при условии, что и передатчик и приемник расположены в слое с низкой проводимостью, амплитуда и фаза распространяющихй ся радиоволн будут определяться величиной проводимости и диэлектриче- - Оо ской проницаемости породы слоя с низкой C) проводимостью (при условии, что проводи- (Я мости стенок значительно превышают про- Д водимость среднего слоя): М

Вариации амплитуды и фазы волны, из- 0 меренные на заданном расстоянии от передатчика, будут определяться, следовательно, вариациями электрических параметров породы среднего слоя. (евам

Физическая природа связи электрических параметров пород и механических напря>кений в них может быть объяснена с помощью разработанных в настоящее время, дилатантно-диффузионной модели и модели лавинно-неустойчивого трещинообразования. Обе модели учитывают изменение во

1805429 времени пористости пород вследствие механических напряжений. В дополнение к этому в первой модели учитывается роль диффузии воды в поры породы. В любом случае и сопротивление, и диэлектрическая 5 проницаемость будут определяться количеством пор, которые заполнены либо водой (влажная модель), либо воздухом (сухая модель), B соответствии с первой моделью величина сопротивленйя уменьшается по мере роста механических напряжений до момента разрушения; а согласно второй модели сопротивление сначала увеличивается, а затем уменьшается перед разрушением породы, В равной степени, эти выводы относятся и к связи диэлектрической проницаемость пород с, механическими напряжениями.

Рассмотрим задачу о вычислении компонент электромагнитного поля вертикального 20 электрического диполя, расположенного в среднем слое трехслойной структуры с плоско параллельными границами раздела.

В цилиндрической системе координат уравнение границ раздела трех сред с элек- 25 тромагнитными свойствами, определенными значениями диэлектрической проницаемости (I (j = 1,2,3) и проводимостями cd(J = 1,2,3), принимает вид:

z = Π— между первой и второй средами, z = d — между первой и третьей средами.

Передатчик расположен в точке с координатами z, О, О, а приемник — в точке с координатами h, r, О. Будем рассматривать случай расположения и передатчика, и при- 35 емника только внутри первой (средней) среды, т.е, выполняется условие

О z d, 0» h d.

Дпя данной задачи уравнения Максвел. ла сводятся к вычислению интегралов типа 40

Фурье-Бесселя. В силу симметрии задачи и типа источника отличными от нуля будут три компоненты полк

Н р(г,z,h) = - — Az(r.z,h) 45

Idt д

2с дг

Ег(г,z,h) — „. д Az(r,z,h) ! Id C д2 с6 2с дгдг

Ег(гzh) 2 2 2 - Kp )Аг(гzh) 50

I(g) 106 д2 2 с ко с rIz где значение электрического вектор-потенциала выражается формулой:

Az(r,i,h)- (. Q(z, h, Л) H Я (Л ) Л((Л

> „(, »)»,(3) -f. 0 — — нЩ(() 0 (Л) = i — Rp1(Л) Rpr (Л) е 2

Коэффициенты отражения от границ раздела определяются выражением;

Rpq (q =1,2); . Р0(Л) пгч+Рq(Л)

Рц(Л)=Я @ (q=0.1.2).

Коэффициент преломления nq = Kq/Ко (q=1,2)

Волновые числа определяются частотой и электромагнитными свойствами среды: » -» с

B формуле введены следующим обозначения:

Bo (iL) = 1, В1(Л) = Ro1(Л), Вг (Л)= аког(Л), Вз(Л)= йо1(Л) Бог(Л)

Значения о) принимают следующие значения

Схема решения требует выполнения следующих условий: толщина второй и третьей пограничных сред должны быть много больше скин-слоя в каждой из них, В этом случае прилегающие слои можно представить в виде бесконечных полупространств; толщина среднего слоя d должна быть больше длины волны в среде; полупространства, окружающие средний слой, должны быть более проводящими, чем среда в которой производятся измерения, т.е.

Ф » (л oa > > oi

Для решения поставленной задачи была составлена программа на языке ФОРТРАН, которая была использована при проведении расчетов.

Рассмотрим результаты расчетов на . следующем примере.

Условия геологического разреза: средняя среда с мощностью слоя 70 м, удельное сопротивление 5 10 Ом м, относительная диэлектрическая проницаемость 5; верхняя и нижняя среуы с удельным сопротивлением 5 10 Ом м, относительная диэлектрическая проницаемость

10.

Передатчик и приемник расположены в середине среднего слоя, т.е. z = h = 35 м.

1805429

Расчеты проводились на частотах 5 мГц и 10 м Гц.

Оценим вариации амплитуды и фазы сигнала на заданном расстоянии (300 м) при изменении электрических параметров среднего слоя. Результаты расчетов показывают, что при изменении удельного сопротивления на 10 Д, амплитуда сигнала изменяется на 5,5 . При изменении диэлектрической проницаемости на 1 Д фаза сигнала изменяется на 0,354 радиана на частоте 5 мГц и на 0,71 радиана на частоте 10 м Гц.

На чертеже показано изменение модуля поля с расстоянием от излучателя в диапазоне расстояний 100 — 300 м.

Можно отметить, что сигнал сравнительно мало изменяется с ростом расстояния за счет волноводного распространения, испытывая даже увеличение за счет интерференции мод на частоте 10 мГц.

Способ реализуется следующим образом. В пределах исследуемого района по геологическим данным находят выдержанный по простиранию и мощности в пределах нескольких сотен метров низкопроводящий слой, заключенный между высокопроводящими слоями, При этом следят за тем, чтобы хотя бы для одной из частот выполнялось одновременные два условия — превышение мощностью низкопроводящего слоя длины волны в нем и превышение мощностями высокопроводящих слоев, величин соответствующих им скин-слоев, При обнаружении таких пластов, удовлетворяющих указанным требованиям, выбирают. участок, напряженное состояние которого представляет интерес для контроля.

B пределах участка бурят(или используют уже имеющиеся) две скважины так, чтобы контролируемый участок был расположен между ними, на таком расстоя6 нии, чтобы характеристики волновода и используемая аппаратура позволяли уверенно передавать сигнал, Располагают источник и приемник в разных скважинах в

5 низкопроводящем слое и ведут режимные наблюдения, регистрируя разность фаз между принятым сигналом и опорным сиг- . налом, передаваемым по поверхности Земли от источника,к приемнику.

10 Результаты расчетов показывают, что способ может быть использован для контроля напряженного состояния массивов в несколько сотен метров, позволяя при достигнутой в настоящее время точности из15 мерения разности фаз + 0,05 контролировать относительные деформации большие

10-4

Формула изобретения

Способ обнаружения механических на20 пряжений горных пород, заключающийся в расположении на одном горизонтальном уровне в одной скважине источника, в другой — приемника сигнала, излучении, приеме сигнала, и суждении о напряженном

25 состоянии массива по параметрам принятого с.игнала, отличающийся тем, что, с целью увеличения размеров контролируемой области и снижения трудоемкости, источник излучает, а приемник принимает

30 электромагнитный сигнал, источник и приемник располагают в одном низкопроводящем слое, расположенном между высокопроводящими слоями, с мощностью низкопроводящего слоя большей длины

35 волны, при этом толщины высокопроводящих слоев больше соответствующих им скин-слоев на частоте излучаемого сигнала, а об изменении напряженного состояния массива во времени судят по изменению

40: величины сдвига фазы между принятым сигналом и опорным сигналом, передаваемым по поверхности Земли от источника к приемнику.

1805429

Составитель М.Беленький

Текред М.Моргентал Корректор Н.Кешеля

Редактор

Заказ 941 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва; Ж-35, Раушская наб„4/5

Производгтвенно-издательский комбинат "Патент", r. Ужгород, ул.Гагарина, 101