Физико-технический контроль и мониторинг процессов горного или нефтегазового производства

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ 

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ  
ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ  
«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «МИСиС» 

 

 
 
 

 

 

 

 
 

 

№ 2752 

Кафедра физических процессов горного производства
и геоконтроля 

П.В. Николенко 
Р.М. Гайсин 
А.А. Кормнов 

Физико-технический контроль
и мониторинг процессов 
горного или нефтегазового 
производства 

 

Учебное пособие 

Утверждено Методическим советом НИТУ МИСиС 

Москва  2016 

УДК 622.831.1 
 
Н63 

Р е ц е н з е н т ы :  
д-р техн. наук О.Н. Малинникова (ИПКОН РАН); 
канд. техн. наук Ю.Л. Филимонов (ООО «Газпромгеотехнология») 

Николенко П.В. 
Н63  
Физико-технический контроль и мониторинг процессов горного 
или нефтегазового производства : учеб. пособие / П.В. Николенко, 
Р.М. Гайсин, А.А. Кормнов. – М. : Изд. Дом МИСиС, 2016. – 81 с. 
ISBN 978-5-906846-10-5 

В учебном пособии рассмотрен широкий круг акустических методов геоконтроля массива горных пород. Представлены как теоретические основы 
методов, так и лабораторные работы, предназначенные для освоения студентами практических навыков. Пособие снабжено необходимым материалом 
для контроля знаний, включающим контрольные вопросы и тестовые задания 
по каждому разделу. 
Пособие предназначено для студентов, обучающихся по специальности 
21.05.04 «Горное дело» и 21.05.05 «Физические процессы горного или нефтегазового производства» ФГОС ВПО. 

УДК 622.831.1 

 
 
ISBN 978-5-906846-10-5 

 П.В. Николенко, Р.М. Гайсин, 
А.А. Кормнов, 2016 
 НИТУ «МИСиС», 2016 

СОДЕРЖАНИЕ 

Введение .................................................................................................. 4 
Лабораторная работа 1. Измерение скорости 
распространения упругих волн с использованием 
ультразвукового дефектоскопа.............................................................. 6 
Лабораторная работа 2. Исследование закономерностей 
распространения упругих волн в анизотропном массиве 
горных пород ........................................................................................... 17 
Лабораторная работа 3. Изучение методики определения 
параметров трещиноватости массива горных пород 
комплексным акустическим методом ................................................... 26 
Лабораторная работа 4. Выявление трещин в массиве 
ультразвуковыми методами проходящих волн .................................... 35 
Лабораторная работа 5. Сейсмоакустический прогноз 
горных ударов ......................................................................................... 46 
Лабораторная работа 6. Определение расслоений 
в конструктивных элементах горных выработок 
акустическими методами ....................................................................... 55 
Лабораторная работа 7. Применение ультразвукового 
корреляционного каротажа при исследовании кровли 
горных выработок ................................................................................... 71 
Библиографический список ................................................................... 80 
 

ВВЕДЕНИЕ 

Геоконтроль – это вид контроля, объектом которого является массив горных пород и его отдельные структурные элементы, а также 
протекающие в них природные и технологические процессы, осуществляемый в целях информационного обеспечения эффективного и 
безопасного ведения горных работ.  
Первые шаги в области геоконтроля относятся к 20-м годам XX в., 
когда в нашей стране и за рубежом были организованы специальные 
инструментальные наблюдения за сдвижением массивов на ряде месторождений, а также положено начало систематическому изучению 
прочностных и упругих свойств горных пород, и различных проявлений горного давления в выработках.  
При этом преимущественно использовались механические и 
маркшейдерско-геодезические методы исследования. Позднее, начиная с 1950–1960-х годов, стали активно развиваться, а затем постепенно заняли доминирующее положение в геоконтроле так называемые методы горной геофизики, основанные на изучении природы, 
структуры, пространственной неоднородности и временной изменчивости естественных и искусственных физических полей в массиве 
горных пород при отработке месторождений 
Особое место среди геофизических методов геоконтроля занимают акустические методы, т.е. методы, основанные на взаимодействии 
упругих колебаний и волн с горными породами. Сущность этих методов сводится к тому, что вследствие указанного взаимодействия 
претерпевают изменения параметры распространяющегося в геосреде акустического сигнала, который становится при этом носителем 
измерительной информации о первичных физических полях, характеризующих горную породу и являющихся объектом исследования и 
контроля. Таким образом, проблема определения параметров распространяющихся в них акустических сигналов, осуществляемому современными радиоэлектронными и акустическими средствами.  
Условно основные задачи, решаемые на сегодняшний день акустическими методами геоконтроля, можно разбить на следующие 
группы: 
1. Задачи горно-геологического контроля, связанные с изучением 
общего геологического строения массивов горных пород и их литологическим расчленением; установлением границ раздела полезных 
ископаемых и вмещающих пород; выявлением различных типов на

рушений в массиве (разрывов, карста, мульд и другие) и включений с 
аномальными физико-механическими свойствами; оконтуриванием 
зон выветривания, трещиноватости, дробления и др.  
2. Задачи горно-технического контроля, связанные с изучением 
плотностных, механических (упругих, пластических, прочностных, 
реологических), волновых (акустических) и горно-технологических 
свойств горных пород, их неоднородности, анизотропии и трещиноватости. 
3. Задачи горно-технического контроля, связанные с изучением напряженно-деформированного состояния конструктивных элементов 
систем разработки и горных выработок различного назначения, прогнозом их устойчивости, а также опасных проявлений горного давления.  
4. Задачи горно-технологического контроля, связанные с оценкой 
качества упрочнения, разупрочнения, закрепления, разрушения и 
других процессов, осуществляемых в массиве в целях целенаправленного изменения его свойств и состояния.  
5. Задачи горно-экологического контроля, связанные с оценкой 
негативного влияния горных работ на состояние окружающей среды.  
Возможности решения такого широкого круга задач именно акустическими методами обусловлены: наличием устойчивых функциональных и корреляционных связей соответствующих информативных параметров со свойствами, структурными особенностями и напряженно-деформированным состоянием горных пород; использованием различных типов упругих волн и видов зондирующих сигналов 
в широком диапазоне частот, а также широкого спектра информативных параметров этих сигналов; многочисленными возможными 
вариантами схем реализации акустических измерений как на образцах, так и в массиве горных пород.  
В рамках настоящего учебного пособия в силу ограниченности 
его объема рассматриваются лишь некоторые из акустических методов и решаемые с их помощью задачи. Пособие состоит из семи независимых частей, каждая из которых посвящена конкретному вопросу акустического контроля и содержит необходимую теоретическую часть, контрольные вопросы, описание соответствующей лабораторной работы, а также тесты для самоконтроля. Такая структура 
пособия призвана обеспечить возможность его использования как 
для проведения лабораторных работ, так и для самостоятельной работы студентов и самопроверки полученных ими знаний. 
Пособие подготовлено в рамках госзадания № 2014/113 (проект 
№ 504). 

Лабораторная работа 1 

ИЗМЕРЕНИЕ СКОРОСТИ РАСПРОСТРАНЕНИЯ 
УПРУГИХ ВОЛН С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ 
УЛЬТРАЗВУКОВОГО ДЕФЕКТОСКОПА  

Цель работы. Приобрести навыки работы с ультразвуковым дефектоскопом УКБ-1М. 

1.1. Общие сведения 

Для целей геоконтроля наибольшее распространение получили 
импульсные одно- и многопараметровые приборы, работающие в 
относительно низкочастотном диапазоне (< 1 МГц). Работа простейших измерителей времени распространения ультразвуковых колебаний (УЗК), за исключением некоторых особенностей, заключается в 
следующем. Импульсный генератор 1 (рис. 1.1) возбуждает излучающий преобразователь 2. Ультразвуковые (УЗ) импульсы, пройдя 
через контролируемую базу горной породы, принимаются приемным 
преобразователем 3 и далее в виде электрического сигнала поступают на усилитель 4. 
Импульс U1 генератора 1 через схему 5 регулируемой компенсационной задержки запускает триггер 6. Причем импульс U2 с выхода 
схемы 5 отсекает от импульса U1 на время t3 задержки УЗ сигнала в 
элементах акустического тракта прибора (протекторы преобразователей, контактные переходные слои и т.п.). Таким образом, фронт 
импульса U2 соответствует началу отсчета измеряемого временного 
интервала. 
Импульсом U3 с выхода усилителя 4 триггер 6 переводится в исходное состояние и на его выходе завершается формирование импульса U4 длительностью tP, равной искомому времени распространения УЗ сигнала на базе L. Этот импульс управляет временным селектором 7, пропускающим на вход электронного счетчика 9 цуг 
счетных импульсов U5 с кварцевого генератора 8. 
Приборы, имеющие в качестве индикатора полноценный ЭЛТ или 
ЖК экран, позволяют измерить не только время распространения, но 
и динамические характеристики принятого УЗ сигнала. Кроме того, 
эти приборы позволяют визуально наблюдать форму сигнала и анализировать его искажения, идентифицировать первое вступление 
продольных и поперечных волн и т.д. 
 

Рис. 1.1. Функциональная схема счетно-импульсного измерителя 
времени распространения УЗК (а) и временные диаграммы, 
поясняющие его работу (б) 

Благодаря используемому диапазону частот, активные УЗ методы 
оказываются наиболее эффективными при решении задач геоконтроля, которые связаны с исследованием относительно небольших объемов горных пород и требуют высокой разрешающей способности.  
Сущность извлечения искомой информации о горной породе УЗ 
методами сводится к следующему. В процессе своего распространения УЗ колебания взаимодействуют с первичными полями различной 
физической природы, характеризующими горную породу как объект 
исследования и контроля. При этом изменяются параметры УЗ колебаний. В результате последние становятся носителями измерительной информации. В то же время сами УЗ колебания, являясь низкоэнергетическими, на исследуемые первичные поля практически не 
влияют. 
Таким образом, проблема определения параметров первичных физических полей сводится к измерению параметров УЗ сигналов, осуществляемому специализированными радиоэлектронными средствами. 

По функциональному признаку технические средства УЗ методов 
контроля подразделяются на УЗ приборы, УЗ преобразователи и 
вспомогательное оборудование. 
УЗ приборы осуществляют: формирование электрических сигналов, возбуждающих излучающие акустические преобразователи; 
усиление и селекцию на фоне помех сигналов, принятых приемными 
акустическими преобразователями; обработку принятых сигналов, 
обеспечивающую измерение и регистрацию параметров. 
УЗ преобразователи предназначены для излучения акустических 
колебаний под воздействием электрических колебаний генератора 
УЗ прибора, а также для приема акустических колебаний и преобразования их в электрический сигнал.  
Вспомогательное оборудование предназначено для установки и 
фиксации УЗ преобразователей в заданных точках контроля (в частности, на поверхности образцов, блоков и скважин), а также определения 
геометрических параметров (баз, глубин и др.) схемы измерения. 
Ультразвуковые приборы геоконтроля подразделяются:  
1) по условиям применения и степени защищенности: 
– на лабораторные; 
– полевые; 
– шахтные (в том числе, пыле-, влаго-, искро-, взрывозащищенные); 
2) количеству определяемых информативных параметров: 
– на однопараметровые; 
– многопараметровые;  
3) измеряемым характеристикам УЗ сигнала:  
– на временные; 
– амплитудные; 
– спектральные; 
– корреляционные; 
4) виду используемого зондирующего УЗ сигнала:  
– на приборы с импульсным излучением; 
– приборы с непрерывным (гармоническим, шумовым) излучением; 
5) реализуемому методу (методике) измерений: 
– на приборы теневого контроля; 
– приборы эхо-импульсного контроля; 
– универсальные; 
– каротажные;  
– резонансные; 
6) виду индикации: 
– с цифровой индикацией; 
– ЭЛТ индикацией; 

7) типу используемого источника питания: 
– с сетевым питанием; 
– автономные; 
– универсальные. 
Прибор УЗ импульсный УКБ-1М предназначен для измерения 
времени распространения упругих УЗ колебаний и затухания в контролируемых средах с последующим определением качества материала и конструкций без их разрушения. 
Прибор позволяет по измеренной скорости распространения УЗ колебаний, степени затухания и форме огибающей многократных отражений 
импульсов определять качество строительных материалов и горных пород. 
Основные технические характеристики дефектоскопа УКБ-1М 
приведены в табл. 1.1. 

Таблица 1.1 

Характеристика 
Значение 

Диапазон рабочих температур, °С 
–10…+35 

Диапазон измерения времени, мкс 
0…5500 

Приборная погрешность измерения времени 
распространения УЗ колебаний в диапазоне 0…500 мкс, % 
±1 

Диапазон работы аттенюатора ослабления амплитуды 
сигнала, дБ 
1…60 

Коэффициент усиления усилителя при соотношении 
сигнал/шум равном 10 
0,3·106 

Полоса пропускания усилителя на уровне 0,7, кГц 
10…200 

Номинальные рабочие частоты пьезопреобразователей, кГц 
25, 60, 100 и 150 

Питание, В/Гц 
220/50 

Принцип работы дефектоскопа следующий. Задающий генератор 
вырабатывает импульсы для запуска ступенчатой или плавной задержки ждущей развертки, которая используется для отсчета времени 
прохождения УЗ сигнала в материале. Кроме того, импульсами синхронизатора через линию задержки («Установка нуля») запускается 
генератор УЗ колебаний. Электрические импульсы генератора возбуждают передающий преобразователь на его резонансной частоте. Упругие колебания передающего преобразователя, при его контакте с 
поверхностью контролируемой среды, вводятся в данную среду. 
Прошедшие через изделие колебания принимаются приемным 
преобразователем и преобразуются в электрические колебания, которые поступают через аттенюатор на вход предусилителя. Усиленные 
усилителем колебания подаются на экран прибора.  
Внешний вид передней панели прибора УКБ-1М представлен на 
рис. 1.2 

Рис. 1.2. Внешний вид передней панели дефектоскопа УКБ-1М 

На передней панели расположены следующие органы управления 
(с соответствующим назначением): 
– ручка «отсчет плавно мк сек» – для отсчета по шкалам лимба и 
нониуса времени прохождения УЗ колебаний; 
– переключатель «род работы» – для выбора одного из трех режимов работы: измерение («измер»), автоматическая сигнализация 
времени распространения («А С В Р»), калибровка («калибр»); 
– переключатель «отсчет ступенчато» – для отсчета времени 
распространения, превышающего по длительности 500 мкс; 

– переключатель «множитель» – для выбора одного из четырех 
пределов плавного отсчета. Первый множитель «0,5» соответствует 
диапазону измерения 0…50 мкс, второй множитель «1» – 0…100 мкс, 
третий множитель «2» – 0…200 мкс, четвертый множитель «5» – 
0…500 мкс. При отсчете времени распространения УЗ сигнала необходимо показания шкал лимба и нониуса плавного отсчета умножить 
на соответствующий множитель диапазона измерения; 
– тумблер «развертка I, II» – для выбора одного из двух диапазонов длительности развертки луча ЭЛТ; 
– ручка «развертка плавно» – для плавной регулировки длительности развертки луча в пределах выбранного диапазона;  
– ручки переключателей «ослабление, дБ» – для ступенчатого 
уменьшения (ослабления) уровня сигнала, подаваемого от приемного 
пьезоэлектрического преобразователя на вход усилителя. Показания 
обоих переключателей суммируются; 
– ручка «усиление» – для плавной регулировки коэффициента 
усиления усилителя; 
– ручка «смещ. Х», «сеть/выкл.» – для включения/выключения сети 
питания прибора и для смещения линии развертки луча по горизонтали; 
– ручка «фокус» – для фокусировки изображения на экране; 
– разъем «вход усилителя» – для подключения приемного преобразователя. 

1.2. Контрольные вопросы 

1. Для чего используется ультразвуковой дефектоскоп УКБ-1М? 
2. Какое максимальное значение времени прохождения УЗ колебаний можно измерять с помощью дефектоскопа УКБ-1М? 
3. Что такое время задержки? 
4. От чего зависит выбор рабочих частот акустических преобразователей? 
5. Чем отличаются положения переключателя «развертка I» и 
«развертка II»? 

1.3. Порядок выполнения  

1.3.1. Подготовка прибора к работе 

При подготовке прибора к началу работы необходимо произвести 
следующие операции: