Пояснения к работе

Изучение устройства ультразвукового сейсмоскопа и ИЗМЕРЕНИЕ СКОРОСТИ РАСПРОСТРАНЕНИЯ УПРУГИХ КОЛЕБАНИЙ

В ГОРНЫХ ПОРОДАХ

Цель работы

Изучение ультразвукового сейсмоскопа и методики измерения скорости распространения упругих колебаний импульсным методом. Производство метрологического контроля прибора и лабораторных измерений на образцах горных пород.

Материалы и принадлежности

Ультразвуковой сейсмоскоп; кернодержатель; штангенциркуль, линейка; смазывающее вещество (солидол, глицерин); эталоны; образцы горных пород; персональный компьютер.

Порядок проведения работы

1. Изучение устройства и принципа работы ультразвукового сейсмоскопа.

2. Выполнение метрологического контроля и массовые измерения скорости распространения упругих волн.

3. Графические построения и оценка результатов.

4. Формулирование выводов.

Пояснения к работе

При геофизических исследованиях упругих свойств горных пород наиболее широко применяют динамический метод. Измеряют скорости распространения волн различного типа. Разработаны резонансные звуковые и импульсные ультразвуковые способы определения скорости распространения упругих продольных ( ) и поперечных ( ) волн. Наиболее распространен импульсный способ.

Типовая схема импульсного ультразвукового прибора для определения скорости распространения упругих волн в образцах горных пород приведена на рисунке 1.

Рисунок 1. Типовая схема импульсного ультразвукового прибора

Согласно этой схеме от генератора возбуждающих импульсов на пьезоэлектрический излучатель, плотно прижатый к образцу породы, подаются импульсы высокой частоты (более 10 кГц). Одновременно на приемно-осциллографический индикатор приходит импульс момента излучения. Его можно наблюдать в виде остроконечной пики в левом углу экрана индикатора. Основным показателем, наблюдаемым на электронно-лучевом экране в период процесса прозвучивания, является время t, отсчитываемое по маркам времени между моментами излучения и первым вступлением (см. рисунок 1).

При прозвучивании образцы горных пород размещаются на специальных подставках (рисунок 2), которые состоят из двух держателей 1 и датчиков 2. Держатели крепятся к станине 3 и служат для установки и плотного прижима датчиков к образцу породы. Последний устанавливаются в держателе 4.

Рисунок 2. Схема устройства держателя образцов

На рисунке 3 приведен внешний вид ультразвукового прибора УК-10ПМС. Прибор состоит из передней и задней панелей 1 и 4, соединенных блоковыми стяжками 6. Дно прибора имеет опоры 5 и ручку 7, обеспечивающую удобный для работы угол подъема прибора. Верхняя откидная крышка 3 открывает доступ к лицевым панелям функциональных блоков 2, на которые выведены органы управления.

Рисунок 3. Внешний вид ультразвукового прибора УК-10ПМС

Измерения сводятся к определению времени t прохождения ультразвуковых импульсов через образцы заданной длины l. Эти времена составляют от 10 до 100 мкс при длине пути до 100 см в породах и жидкостях. При прямом прозвучивании определяется по формуле:

= l/(t - t) (1),

где t – поправка на запаздывание.

Измерения упругих свойств на образцах позволяют получить высокую точность в определениях физического параметра. Равенство скоростей в образце и в массиве достигается при r/ 1, где r – радиус образца и - длина ультразвуковой волны. Рекомендуется выбирать длину l образца такой, чтобы она в 3-4 раза превышала длину волны, l = (3-4) .

Экспериментальная часть лабораторной работы состоит из двух последовательных этапов:

I. Метрологический контроль прибора.

II. Массовые измерения скоростей на образах горных пород.

I. Метрологический контроль прибора сводится к измерениям эталонных проб и определению погрешности прибораε _v^ср по формуле:

e % (2)

Измерения производятся в следующей последовательности:

1. Подключают высокочастотные кабели к излучающему и приемному датчикам (ПЭП) и разъемам прибора:

a. кабель излучающего ПЭП П111-0. 1-ПЗ1МС – к разъему « »;

b. кабель приемного ПЭП П111-ПЗ3МС – к разъему « ».

2. Устанавливают на панели блока развертки, находящейся сверху прибора:

a. ручку в крайнее левое положение;

b. ручку в крайнее правое положение;

c. кнопку «х10» при этом отпускают.

3. Устанавливают эталон в держатель между ПЭП, обеспечивая акустический контакт с помощью смазки.

4. Включают прибор путем нажатия на кнопку «СЕТЬ», при этом на экране ЭТЛ должна загореться цифро-буквенная информация.

5. Нажимают на клавишу «СБРОС», чтобы убрать ненужную информацию.

6. Задают по команде на экране ЭТЛ режим работы – «РЕЖИМ-1» или «РЕЖИМ-3».

7. Нажимают клавишу «=», обеспечивающую ввод данных.

8. Клавишей «СТИР» выполняют команды для стирания ненужных и ввода с помощью клавиатуры необходимых данных, к которым в первую очередь относится длина прозвучиваемого эталона l в мм.

9. Нажимают клавишу «ИЗМЕР» и ждут результаты вычислений на микропроцессоре.

10. Снимают 3-5 показаний скорости на цифровом индикаторе и вычисляют ее среднеарифметическое значение.

Результаты измерений и расчётов записывают в таблицу 1.

Если e соответствует нормативным требованиям, т. е. e , прибор считают готовым к работе и приступают к производству массовых измерений.

Таблица 1

Результаты метрологического контроля на эталонных материалах

№ п/п	Наименова ние эталона	Размеры эталона (d, l), мм	, м/с	, м/с	Δ , м/с	, %

	Оргстекло МД19-01	d = 50 l = 60
	Сталь	d = 50 l = 50
	Кварцевое стекло МД19-03	d = 50 l = 70

II. Массовые измерения производят в той же последовательности, что и при метрологическом контроле. Результаты определения записывают в журнал табличной формы (таблица 2).

Перед прозвучиванием каждый образец визуально проверяется:

а) не должно быть искусственных микротрещин, наличие которых вызывает значительное уменьшение измеренного значения ;

б) должны быть строго параллельны и хорошо отшлифованы торцевые поверхности, ограничивающие длину образца.

Таблица 2

№ измерения	Наименова ние породы	Расстояние (длина образца) l, мм	Средняя скорость по 5 замерам , м/с	Примечание
				Наибольшая метрологическая погрешность составляет Δ =±___

Результаты измерений на образцах горных пород

Заключительным действием выполнения лабораторной работы является сравнение скоростей распространения упругих волн, измеренных на образцах горных пород и взятых из литературных источников. Составляется таблица сравнения и строится гистограмма. По результатам оценивается разница в значениях, которая сопровождается описанием причин в различии этих значений.

Пример построения гистограммы приведен на рисунке 4.

Рисунок 4. Сопоставления значений по лабораторным и по литературным данным (справочник Геофизика, И. И. Гурвич)

Содержание отчёта

1. Титульный лист.

2. Краткое описание теории и методики измерений скорости распространения упругих волн на образцах горных пород в лабораторных условиях.

3. Результаты технической проверки и метрологического контроля прибора и массовых измерений скорости распространения упругих волн на образцах горных пород.

4. Выводы по лабораторной работе, сопровождаемые графическими построениями.

Контрольные вопросы

1. Охарактеризуйте особенности динамического метода измерения упругих свойств горных пород и блок-схему импульсной ультразвуковой установки для исследования образцов.

2. Зачем нужен метрологический контроль прибора и как он выполняется?

3. От каких факторов зависят упругие коэффициенты и скорость распространения упругих волн для многофазных пород?

4. Какие породы и почему имеют максимальные и минимальные скорости распространения упругих продольных волн?