Введение к работе
Актуальность темы. В процессе эксплуатации крупных промышленных объектов - рудников и шахт на больших глубинах, открытых сарьеров, тел плотин и мест их сопряжения с массивом горных юрод (МГП), тоннелей, подземных хранилищ сырья и захоронений :имических и ядерных отходов, геотермальных источников, возни-:ают аварии в виде внезапного появления недопустимых деформаций, гастичных или общих разрушений. В связи с этим, повышенный нтерес вызывают дистанционные методы, в частности, акустически, позволяющие обнаружить зоны концентрации напряжений и ценить дефекты структуры объекта в процессе их зарождения.
К настоящему времени достаточно развиты активные и пассивно методы ультразвуковой акусто-эмиссионной дефектоскопии инструкционных материалов и изделий небольших размеров. В 50-е оды начато интенсивное развитие пассивных акустических методов егистрации процессов разрушения отдельных участков МЛІ в зонах порного давления, примыкающих к горным выработкам. Анализ оказал, что акустические методы в звуковом диапазоне частот бладают другими существенными преимуществами, к числу которых гносятся высокая дистанционность и низкий порог чувствительности
развивающимся дефектам. Связь параметров сигналов с динамикой эфектов позволяет регистрировать время, место возникновения
энергии источников, непрерывно контролировать процессы разру-экия структуры и состояние объектов, определяющих их прочность
надежность. Реализация преимуществ акустических методов в эактике контроля МГП позволила бы достичь существенного технико-сономического эффекта за счет своевременного проведения меро-эиятий по разгрузке опасных зон, что и обусловило широкое ізвитие исследований в стране и за рубежом. Однако, ухе началь-je результаты выявили серьезные недостатки акустических методов, зязанных с низкой помехозащищенностью, сложностью структуры ілезного сигнала, трудностью интерпретации данных, что снижает стоверность контроля. Кроме этого отсутствуют метрологические :новы акустических измерений в твердых средах, чго вызывает удности интерпретации результатов и оценки состояния объекта >нтроля по параметрам акустических сигналов. В связи с этим, 'ала актуальной проблема разработки и развития акустических тодов локации и измерения энергии разрушений в МГП и кетроло-ческого обеспечения этих измерения, которые позволили бы
- A -
правильно интерпретировать регистрируемые данные, повысить достоверность оценки результатов контроля.
Различные аспекты этой проблемы применительно к анализу дефектов структуры типа дислокаций, пластических деформаций и трещин в конструкционных материалах с помощью акустической эмиссии (АЭ) разрабатывались автором в НПО "дальстандарт" с 1970 по IS82 годы и в последующие годы применительно к контролю дефектов типа трещин нормального отрыва в ЫГП. Работа проводилась в рамках тематического плана НИОКР в соответствии с директивными документами (Постановлениями Правительства, ГККГ и Госплана, Решениями Комиссии СМ, Экспертными Советами Минчер-мета, Минцветмета). В докладе обобщены основные научные результаты отих работ, полученные с 1972 г. по настоящее время.
' Цель и основные задачи исследований. На основе акустических измерений и математической обработки информации теоретически обосновать, экспериментально проверить, технически реализовать и практически внедрить на удароопасных месторождениях полезных ископаемых методы и средства локации и измерения энергии источников разрушения. Достижение цели лотребовало решения комплексной научной проблемы: установление взаимосвязей между параметрами акустических сигналов и физическими процессами трещинообразова-ния, обоснование и разработка принципов построения средств локации и измерения энергии источников, системы метрологического обеспечения измерений, методик проведения измерений и анализа результатов для контроля динамических явлений в МГП.
Анализ'путей решения проблемы и практического применения результатов позволил сформулировать следующие задачи исследований:
-
Установить информативность акустических сигналов от развивающихся трещин, механизмы их генерации, выявить возможность распознавания этих сигналов от других источников.
-
Разработать методы расчета и создать средства приема акустических сигналов в массиве, а также - искусственного излучения, для имитации сигналов о.т трещин при контроле аппаратуры.
-
На основе достоверных измерений разработать методы расчета местоположения и энергии источников сигналов, обеспечивающих потребную для практики точность.
-
Создать методы и средства проверки результатов акустических измерений на всех стадиях отработки и введения аппаратуры в эксплуатацию.
5. Разработать и внедрить аппаратуру, методики организации проведения измерений и интерпретации результатов микросейсмического контроля динамических проявлений горного давления.
Методы исследований. При теоретических исследованиях использовались методы, развитые в механике сплошных сред (теории упругости, механике разрушения, акустике и электроакустике). В экспериментах применялись измерения акустических величин с помощью пьезоэлектрических преобразователей (НЭП), акселерометров, микрофонов, гидрофонов и лазерных интерферометров. В качестве арбитражных использовались методы электрометрии (емкостные, фотоэлектронные, тензорезисторные, разности электрических потенциалов), металлографии. При введении аппаратуры в эксплуатацию применялись геодезические (маркшейдерские) измерения координат преобразователей, в пространстве горного массива.
Научная новизна. В результате исследований установлены неизвестные ранее взаимосвязи параметров трещинообразования и параметров акустических сигналов, введена новая физическая константа для оценки электроакустических свойств твердого тела, развита обобщенная теория расчета приемников и излучателей на основе пространственной теории цилиндрических ПЭП, разработана теория локации и измерения энергии источников разрушения в структурно-неоднородных средах, созданы основы метрологического обеспечения и методики организации и проведения акустических измерений в массивах горных пород, получены новые практические результаты и их интерпретация на основе непрерывных наблюдений в реальных условиях эксплуатации аппаратуры и систем. Основные результаты, выносимые на защиту:
модели источников A3 при упруго-пластических [33, 53.] , пластических [I, 2, 10, II, 21, 52] деформациях материалов и развитии трещин нормального отрыва [12, 13, 14, 21, 25, 27 J ;
способы определения по АЭ - данным пределов упругости [і, 2 J , текучести [ 10, II, 26 .] , параметров трещинообразования I 14, 22, 23, 25, 32, 44, 45, 51.] , вязкости разрушения [14, 28, 29, 34 ] ,' коэффициента связи электроакустического излучения трещин нормального отрыва 118 ] ;
приближенная модель расчета сейсмометров, акселерометров и геофонов в виде систем с распределенными параметрами [б, 15 1 ;
пространственная теория цилиндрических ПЭП [б, 15, 35, 36 "];
теория и алгоритмы, реализованные программными средствами, расчета местоположения, энергии источников разрушения в ШЛ1
- о -
[З, 5, Є, 9, 17, 37, 47] и ошибок измерений 20, 36, 41, 42 ; - теоретическое обоснование [7, 431 и практическая реализация [24, 30 J методик и средств метрологического обеспечения акустических измерений в твердом теле в диапазоне частот 0,2 ;- 20,0 кГі
принципы построения универсальных и специализированных рабочих АЭ-приборов [II, 31, 33, 40] , станций и систем акустического контроля в МГП [3, 3, 5, 9, 19, 39] ;
методики организации, проведения акустических измерений ["З, 4, 16, 17 J и применения результатов локации и измерения энергии источников Г 3, 4, 16] для контроля горного давления.
Практическая ценность и реализация результатов. Установленная теоретически и экспериментально информативность сигналов, предложенные алгоритмы, программы, методические приемы и технические средства обеспечения достоверности оценок параметров источников акустических колебаний явились научной основой при создании ряда АЭ-приборов, микросейсмических станций и систем акустического контроля в условиях производства. Разработаны и внедрены в практику контроля методики и аппаратура для определения характеристик прочности материалов, оценки дефектов типа трещин при испытаниях и изготовлении изделий, контроля процессов трещинообраэования в зонах опорного давления и внутри массивов горных пород. Разработаны электрогидродинамические (ЭГД) и пьезоэлектрические имитаторы-излучатели акустических колебаний, которые использованы при определении характеристик акустических трактов (активный режим) и точности локации и измерения энергии, аттестации систем контроля на объекте. Разработан комплекс дополнительных методик и приборов для поэлементной проверки ПЭЯ, кабельных коммуникаций, измерителей временных интервалов и амплитуд принимаемых сигналов, а также проверки точности реализации алгоритмов и программ.
Методики и аппаратура АЭ-контроля (ИМ-І, АРМГ, АРКС) внедрены на II предприятиях и организациях различных отраслей и в 5 академических НИИ. Приборы и системы микросейсмического контроля внедрены на Таштагольскоы'железнорудном местороадении (б станций типа "Прогноз-5", 5 приборов типа "Ритм-І"), руднике "Таймырский" Талнахского медно-никелевого месторождения (станция "Прогноз-5" и комплекс "Горизонт-6"). Введена в эксплуатацию модернизированная станция "Прогноз-5М" на Хинганском оловорудном месторождении дальнего Востока..
Экономический эффект от внедрения систем достигается за счет своевременного обнаружения, определения местоположения и проведения мероприятий по разгрузке очагов концентрации напряжений и разрушений путем снижения простоев и ликвидации последствий аварийных ситуаций.
Апробация работы и публикации. Основные результаты работы докладывались и получили одобрение на 9 Всесоюзных и 5 Республиканских научно-технических конференциях, семинарах, совещаниях, УП Международном Конгрессе по маркшейдерскому делу, 5 экспертных советах, 3 Координационных совещаниях по горным ударам Минчер-мета и Минцветмета. По результатам опубликовано 70 статей, получено 15 авторских свидетельств.
