Введение к работе
Актуальность работы. Наличие надежной информации о напряженно-деформированном состоянии (НДС) массива и его динамике во времени и пространстве является необходимым условием эффективного и безопасного ведения горных работ, строительства и эксплуатации подземных сооружений различного назначения. Именно поэтому получение указанной информации всегда рассматривалось в качестве одной из приоритетных задач экспериментальной геомеханики. Несмотря на имеющийся многолетний положительный опыт использования для решения этой задачи широкого спектра геологических, геомеханических и геофизических методов, все они не лишены серьезных недостатков и по ряду показателей не отвечают постоянно возрастающим требованиям практики, что стимулирует поиск новых, нетрадиционных методов измерения напряжений.
В рамках такого поиска относительно недавно получил развитие метод контроля НДС на основе акустико-эмиссионного эффекта памяти (АЭЭП) в горных породах, заключающийся в невоспроизводимости акустической эмиссии (АЭ) при их циклическом нагружении с возрастающим от цикла к циклу напряжением и скачкообразным увеличением параметров АЭ в момент достижения напряжением максимального испытанного ранее уровня.
Такие достоинства указанного метода, как широкий круг решаемых задач контроля НДС, относительная простота реализации, потенциальная точность получаемых оценок и ряд других, сегодня уже не вызывают сомнений. В то же время имеющаяся практика его использования свидетельствует о том, что результаты определения параметров НДС на основе АЭЭП существенно критичны к естественной для горных пород неоднородности различной физической природы, что неизбежно приводит к потере точности и надежности соответствующего контроля. Как показал предварительный анализ, указанный недостаток может быть преодолен, если использовать для целей геоконтроля АЭЭП не в самих горных породах, а в помещаемых в исследуемую область массива композиционных материалах, которые при этом становятся своеобразными датчиками напряжений. Этот принципиально новый подход к применению АЭЭП для оценки НДС массива требует проведения специальных исследований, направленных на выявление закономерностей формирования и проявления рассматриваемого эффекта в композиционных материалах, а также разработку аппаратурного и методического обеспечения соответствующего метода контроля. Таким образом, обоснование и разработка методов и технических средств контроля напряжений в массиве горных пород на основе закономерностей формирования и проявления акустико-
эмиссионного эффекта памяти в композиционных материалах, помещаемых в исследуемую область массива, является актуальной научной задачей.
Настоящая работа проводилась в рамках Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 гг. по теме «Разработка акустико-эмиссионного метода и средств прогноза критических напряжений в окрестностях горных выработок для предотвращения чрезвычайных ситуаций при ведении горных работ» (Соглашение № 14.В37.21.0671).
Цель работы состоит в экспериментальном установлении закономерностей формирования и проявления акустико-эмиссионного эффекта памяти в композиционных материалах при их механическом нагружении, обосновании и разработке на этой основе методов и технических средств контроля напряжений в породном массиве.
Идея работы заключается в использовании для определения количественных параметров напряженно-деформированного состояния акустико-эмиссионного эффекта памяти в композиционных материалах, помещаемых в исследуемую область массива.
Основные научные положения, выносимые на защиту:
-
При добавлении в эпоксидную смолу с отвердителем заполнителя в виде зерен кварцевого песка образуется композиционный материал, который после размещения в скважине и отвердения способен «запоминать» информацию о величине и направлении максимального напряжения в массиве, действующего в плоскости, ортогональной оси скважины. Эта информация сохраняется в извлеченном из массива и состоящем из указанного материала керне в течение не менее 7 суток и может быть получена при его тестовых механических испытаниях по проявлениям акустико-эмиссионного эффекта памяти, наиболее четкий характер которого имеет место при размерах заполнителя около 0,2 мм и его относительном объеме порядка 40%.
-
Сохранность акустико-эмиссионной памяти в текстолите марки ПТК составляет 30 суток и не зависит от длительности приложения установочной нагрузки. Это позволяет после предварительного нагружения до заранее заданного уровня напряжений использовать его в качестве чувствительного элемента датчика-сигнализатора достижения критического напряжения в конструктивных элементах систем разработки.
-
В пьезокерамических элементах наряду с пьезоэффектом формируется и проявляется акустико-эмиссионный эффект памяти, характеризующийся скачкообразным ростом числа импульсов акустической эмиссии, максимум спектральной плотности которых не зависит от размеров образца и лежит в диапа-
зоне частот от 70 до ПО кГц. Относительно незначительный уровень акустических помех окружающего массива в этом диапазоне в сочетании с использованием полосовой фильтрации обусловливает перспективность применения пьезокерамики в качестве чувствительного элемента помехозащищенного датчика-сигнализатора критических напряжений в контролируемой области массива.
4. Для интерпретации результатов контроля напряжений на основе акустико-эмиссионного эффекта памяти следует использовать алгоритм, включающий получение зависимости суммарного счета акустической эмиссии от напряжения и построение графика кривизны этой зависимости, максимум которого соответствует величине искомого напряжения в массиве. При этом указанный алгоритм оказывается эффективным даже при малом количестве зарегистрированных импульсов акустической эмиссии.
Обоснованность и достоверность положений, выводов и рекомендаций
подтверждаются:
хорошей воспроизводимостью полученных закономерностей проявления АЭЭП в исследуемых композиционных материалах при лабораторных испытаниях на статистически значимом количестве образцов (более 20 для каждого материала и режима нагружения);
непротиворечивостью полученных закономерностей проявления АЭЭП в исследованных композиционных материалах и результатов, прогнозируемых на основе разработанных ранее теоретических моделей, объясняющих указанный эффект;
качественным совпадением основных закономерностей проявления АЭЭП при проведении исследований в лабораторных и натурных условиях, а также относительно высокой точностью (с погрешностью, не превышающей 10%) определения напряжений предлагаемыми методами;
использованием для акустико-эмиссионных измерений современной аппаратуры, обладающей высокими метрологическими характеристиками.
Методы исследований, использованные в диссертационной работе:
- анализ и обобщение существующих методов контроля напряженно-
деформированного состояния породного массива, в частности, основанных на
акустико-эмиссионных эффектах памяти;
- экспериментальные лабораторные и натурные исследования закономерно
стей проявления АЭЭП в композиционных материалах;
- компьютерное моделирование отдельных технологических параметров
контроля напряжений на основе АЭЭП в композиционных материалах;
- аналитические исследования интерпретации акустико-эмиссионных дан
ных, получаемых в результате контроля с использованием АЭЭП.
Научная новизна работы заключается:
в установлении закономерностей проявления АЭЭП в таких композиционных материалах, как эпоксидная смола с отвердителем и кварцевым заполнителем, текстолит ПТК и пьезокерамика;
в разработке алгоритма интерпретации акустико-эмиссионных измерений, направленного на выявление конкретного момента проявления акустико-эмиссионного эффекта памяти в композиционных материалах, эффективность которого сохраняется даже при малом количестве экспериментальных данных;
в разработке метода контроля НДС массива горных пород на основе аку-стико-эмиссионного эффекта памяти в эпоксидной смоле с отвердителем и кварцевым заполнителем, позволяющего получать достоверную информацию о направлении действия и абсолютном значении максимального напряжения, действующего в плоскости, ортогональной оси измерительной скважины;
в разработке метода контроля критических напряжений на основе акусти-ко-эмиссионного эффекта памяти в текстолите ПТК (а также его помехозащи-щенного варианта на основе акустико-эмиссионного эффекта памяти в пьезокера-мике), позволяющего получать сигнальную информацию о достижении в массиве пород заранее установленного критического значения напряжения по одному из направлений.
Научное значение работы заключается в установлении закономерностей проявления акустико-эмиссионного эффекта памяти в таких композиционных материалах, как текстолит ПТК, эпоксидная смола с отвердителем и кварцевым заполнителем, пьезокерамика, а также в разработке метода интерпретации акустико-эмиссионных данных, позволяющего надежно выявлять момент проявления эффекта памяти даже при малом количестве экспериментальных отсчетов.
Практическое значение работы. В рамках диссертации созданы «Методические рекомендации по проведению контроля напряжений в окрестностях горных выработок на основе акустико-эмиссионного эффекта памяти в композиционных материалах», которые переданы для практического использования в ГИ КНЦ РАН, ГИ УрО РАН, ИГД ДВО РАН, ИГД СО РАН, ИПКОН РАН, МГГУ. Результаты диссертационной работы вошли в качестве раздела в учебное пособие «Методы определения напряженно-деформированного состояния массива горных пород», рекомендованное УМО вузов Российской Федерации по образованию в области горного дела студентам вузов, обучающимся по специальности «Физические процессы горного или нефтегазового производства».
Апробация работ. Основные положения диссертации докладывались на научных симпозиумах «Неделя горняка» (Москва, 2010, 2013 гг.) и XXV Сессии Российского акустического общества (Таганрог, 2012). Результаты исследований автора, проведенных в рамках диссертационной работы, были отмечены грантом Американского акустического общества.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 научных работ, в том числе 3 патента на изобретения.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения, изложенных на 141 странице, содержит 60 рисунков, 13 таблиц и список литературы из 72 источников.
Похожие диссертации на Обоснование и разработка методов и средств контроля напряжений в массиве на основе эффектов памяти в композиционных материалах
