Способ обнаружения механических напряжений горных пород

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИК 2 51)5 8 01 ЗОБРЕ ПИСАНИ АВТОРСКОМУ С ТЕНИ ЕЛЬСТВУ 57) И го со ност сост прос щем про выпо прос сост пои тым о н ру ст ди ру ог обр нал нах ео ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕВЕДОМСТВО СССР. (71) Ленинградский государственный университет(56) Альпин А,М, Теория дипольных зондирований. М.: Гостоптехиздат, 1950, с.15 - 35,Методы и средства контроля состоянияи свойств горных пород в массиве. М.; Недра, 1989, с,4-8,(54) СПОСОБ ОБНАРУЖЕНИЯ МЕХАНИЧЕСКИХ НАПРЯЖЕНИЙ ГОРНЫХ ПОРОД Изобретение относится к области элекразведки и может быть применено для троля вариаций электрических параметпород, вызванных механическими нажениями, в частности в период готовки землетрясения.Цель изобретения - увеличение размеконтролируемой области и снижение доемкости измерений.Сущность предлагаемого способа саит в следующем. Из геологических дан-следует возможность существования уктур слоистого типа с удельными провоостями, изменяющимися с глубиной пожения. При этом реализуются ситуации, да слой с высокой проводимостью сменяя слоем с низкой проводимостью, за коым опять следует слой с высокой водимостью.В своей совокупности такие три слоя азуют волновод, в котором возможна каизация энергии распространяющихся иоволн при условии, что длина волны одится в определенном соотношении с метрическим размером волновода, а спользование: контроль напряженно- стояния массива горных пород, Сущь: для контроля напряженного ояния используется радиоволновое вечивание с расположением источника иемника в скважине в низкопроводяпласте; заключенном между высокоодящими пластами такими, что лняются условия волноводного растранения, о изменении напряженного ояния просвечиваемого массива судят зменению разности фаз между приняи 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 распространяющихся радиоволн будут определяться величиной проводимости и диэлектрической проницаемости породы слоя с низкой проводимостью (при условии, что проводимости стенок значительно превышают проводимость среднего слоя):Вариации амплитуды и фазы волны, измеренные на заданном расстоянии от передатчика, будут определяться, следовательно, вариациями электрических параметров породы среднего слоя.Физическая природа связи электрических параметров пород и механических напряжений в них может быть объяснена с помощью разработанных в настоящее время дилатантно-диффузионной модели и модели лавинно-неустойчивого трещинообразования, Обе модели учитывают изменение вор-пот времени пористости пород вследствие механических напряжений. В дополнение кэтому в первой модели учитывается рольдиффузии воды в поры породы. В любомслучае и сопротивление, и диэлектрическая 5проницаемость будут определяться количеством пор, которые заполнены либо водой(влажная модель), либо воздухом (сухая модель), В соответствии с первой моделью величина сопротивленйяуменьшается по "Омере роста механических напряжений домомента разрушения; а согласно второй модели сопротивление сначала увеличивается,а затем уменьшается перед разрушениемпороды, В равной степени, эти выводы относятся и к связи диэлектрической проницаемость пород с, механическиминапряжениями.Рассмотрим задачу о вычислении компонент электромагнитного поля вертикального 20электрического диполя, расположенного всреднем слое трехслойной структуры с плоско параллельными границами раздела,В цилиндрической системе координатуравнение границ раздела трех сред с электромагнитными свойствами, определенными значениями диэлектрическойпроницаемости я 1 О = 1,2,3) и проводимостями о О = 1,2,3), принимает вид;г = 0 - между первой и второй средами,г = б - между первой и третьей средами,Передатчик расположен в точке с координатами г, О, О, а приемник - в точке скоординатами Ь, г, О. Будем рассматриватьслучай расположения и передатчика, и приемника только внутри первой (средней) среды, т.е, выполняется условиеО г б, О Ь б.Дпя данной задачи уравнения Максвел. ла сводятся к вычислению интегралов типа 40Фурье-Бесселя. В силу симметрии задачи итипа источника отличными от нуля будут трикомпоненты поля:Н р (г,г,Ь) = - - Аг(г г М 45о( д2 с дгЕ(г г и) - 2 д д Аг(г,г 1а о(, дс 6 2 с дгдгЕг(г,г,Ь) = 2 2 ( - К Аг(г,г,Ь) 50ю д дгс 20 2 С дг 2где значение электрического векто енциала выражается формулой;Аг(гь)- . С(г,ь,Л) н(о (Лг )ЛЛ55Рг(а, л) Ра (р = 2) ния пр = Кр/К Коэфф (р=1,2) Волна электр ент прел ые числа опредомагнитнь 1 ми своя пв еа( яются частотойствами среды:(р =01,2 В формуле введены с ния:Во(Л) - 1, В 1(Л) - Й , Вз(Л) = Во 1(Л) Бог(Л) Значения р) принимаю ния ующим обозна 1 (Л) Вг (Л)= Рог( т следующие знач 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 б должна быть больше длины волны в среде; полупространства, окружающие средний слой, должны быть более проводящими, чем среда в которой производятся измерения, т.е,аг(л (тэйДля решения поставленной задачи была составлена программа на языке ФОРТРАН, которая была использована при проведении расчетов,Рассмотрим результаты рследующем примере.Условиягеологического разреза: средняя среда с мощностью слоя 70 м. удельное сопротивление 5 10 Ом . м, относительная диэлектрическая проницаемость 5; верхняя и нижняя срегды с удельным сопротивлением 5 10 Ом м, относительная диэлектрическая проницаемость асчетов на Передатчик и приемник расположены вередине среднего слоя, т.е. г = Ь = 35 м. О (Л) = 1 801(Л) й 0 Л) е РЛ) Коэффициенты отражения от границ раздела определяются выражением;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 , амплитуда сигнала изменяется на 5,5, При изменении диэлектрической проницаемости на 1 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.В пределах участка бурят(или используют уже имеющиеся) две скважины так, чтобы контролируемый участок был расположен между ними, на таком расстоя 6нии, чтобы характеристики волновода и используемая аппаратура позволяли уверенно передавать сигнал, Располагают источник и приемник в разных скважинах в 5 низкопроводящем слое и ведут режимныенаблюдения, регистрируя разность фаз между принятым сигналом и опорным сигналом. передаваемым по поверхности Земли от источника,к приемнику.10 Результаты расчетов показывают, чтоспособ может быть использован для контроля напряженного состояния массивов в несколько сотен метров, позволяя при достигнутой в настоящее время точности из мерения разности фаз + 0,05 контролировать относительные деформации большие 10-4Формула изобретения Способ обнаружения механических на пряжений горных пород, заключающийся врасположении 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, о т л и ч а ю щ и й с я 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.Редактор Тек Корректор Н.Кешеля осуда Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101 аказ 941 ВНИИ Тира венного к 113035, М Подписноеитета по изобретениям и открытиям при ГКНТва; Ж, Раушская наб 4/5