Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ изученности проблемы. Постановка задач исследований 11
1.1. Предпосылки к изучению явления механоэлектрических преобразований энергии в горных породах 11
1.2. Природа электромагнитной эмиссии, возникающей при нагружении твердых тел 19
1.3. Прочностные свойства твердых тел и электромагнитная эмиссия 24
1.4. Возможность оценки напряженного состояния по параметрам электромагнитной эмиссии 29
1.5. Закон распределения вероятностей появления электромагнитных сигналов и спектральное распределение мощности сигнала 32
1.6. Взаимосвязь акустической эмиссии в процессе механического воздействия с изменением электромагнитной эмиссии 34
1.7. Постановка задачи исследования 37
2. Аппаратурное и методическое обеспечение лабораторных и полевых исследований. Объекты исследований 42
2.1. Методическое и аппаратурное обеспечение при квазистатическом нагружении 45
2.2. Методическое и аппаратурное обеспечение лабораторных исследований при ударном нагружении 49
2.2.1. Возбуждение ударной нагрузки стальным шариком 50
2.2.2. Возбуждение ударной нагрузки электромеханическим ударником 51
2.3. Аппаратуры и методика измерений в полевых условиях 53
2.4. Геолого-тектоническое описание объектов натурных исследований 57
2.4.1. Горно-геологические и гидрогеологические условия Таштагольского рудника 57
2.4.2. Физико-механические свойства пород и руд месторождения 58
2.4.3. Геологическая характеристика оползневого участка Ставлухар... 60
2.5. Петрографическое описание исследуемых образцов горных пород 61
3. Взаимосвязь интенсивности электромагнитной эмиссии с изменением напряженно-деформированного состояния горных пород 64
3.1. Оценка возможности контроля напряженно-деформированного состояния горных пород по параметрам электромагнитного сигнала 65
3.2. Взаимосвязь интенсивности ЭМС с напряженно-деформированным состоянием модельных образцов 72
3.3. Выявление закономерностей процесса разрушения образцов горных пород по интенсивности ЭМЭ 79
3.4. Взаимосвязь изменений напряженно-деформированного состояния и интенсивности ЭМЭ в натурных условиях 82
3.4.1. Исследование электромагнитной активности по глубине выработки 86
3.4.2. Влияния перераспределения напряжений в массиве на интенсивность электромагнитной эмиссии 91
3.4.3. Исследование взаимосвязи быстрых и медленных изменений напряженно-деформированного состояния массива горных пород с вариациями интенсивности электромагнитного потока... 98
Выводы по 3 главе 103
4. Взаимосвязь параметров электромагнитного сигнала с изменением напряженно-деформированного состояния горных пород 106
4.1. Изменение амплитудно-временных параметров электромагнитного сигнала от действующих напряжений для образцов горных пород 106
4.2. Распределение параметров электромагнитного сигнала на различных этапах напряженного состояния горных пород 111
4.2.1. Моделирование длительности регистрируемого сигнала 116
4.2.2. Исследование распределений параметров ЭМС накануне геодинамических событий
4.3. Взаимосвязь длительности ЭМС с размерами структурных элементов в образцах горных пород 124
4.4. Применимость графика повторяемости для контроля за изменением напряженно-деформированного состояния горных пород по параметрам ЭМС 125
4.4.1. Исследование закона повторяемости на образцах горных пород 127
4.4.2. Исследование закона повторяемости на натурных объектах 128
Выводы по главе 4 134
5. Исследование влияния динамического воздействия на параметры электромагнитного сигнала 135
5.1. Влияние текстурных особенностей образцов горных пород на параметры электромагнитного сигнала при динамическом воздействии 136
5.1.1. Механоэлектрические преобразования в слоистых горных породах 136
5.1.2. Обоснование оценки пористости по амплитуде ЭМС 144
5.2. Исследование влияния влажности на параметры ЭМС 148
5.3. Влияние проводимости на параметры ЭМС на примере горных пород Таштагольского месторождения 154
5.4. Оценка возможности контроля структурно-текстурных нарушений по параметрам ЭМС
5 5. Взаимосвязь длительности акустического воздействия с параметрами амплитудно-частотных характеристик ЭМС образцов горных пород 161
Выводы по 5 главе 168
Выводы по работе 170
Литература 174
Приложение 191
- Природа электромагнитной эмиссии, возникающей при нагружении твердых тел
- Методическое и аппаратурное обеспечение лабораторных исследований при ударном нагружении
- Взаимосвязь интенсивности ЭМС с напряженно-деформированным состоянием модельных образцов
- Распределение параметров электромагнитного сигнала на различных этапах напряженного состояния горных пород
Введение к работе
Актуальность темы. Горные удары, обвалы, внезапные выбросы и другие виды геодинамических проявлений являются причинами, затрудняющими разработку месторождений полезных ископаемых. Эти процессы порождаются действием в массивах горных пород полей больших механических напряжений, увеличивающихся с глубиной отработки, а, также из-за структурной неоднородности и нарушенности массива и определяются свойствами слагающих его горных пород. В последние годы в районах разработки и добычи полезных ископаемых участились случаи проявления горно-тектонических ударов и техногенных землетрясений, что влечет за собой экономические и человеческие потери. Поэтому проблема оценки изменения напряженно-деформированного состояния (НДС) массивов горных пород, прогноз и предупреждение удароопасности приобретает особую остроту. Различия в механизмах геодинамических явлений, энергии и степени воздействия на окружающую среду определили различные подходы к оценке напряженно-деформированного состояния таких массивов и прогнозу динамических явлений в них.
В Томском политехническом университете (ТПУ), в том числе и в Институте горного дела СО РАН, Институте Физики Земли, ВНИМИ, Кузбасском государственном техническом университете, Институте геофизики (г. Тбилиси) ведется изучение механоэлектрических преобразований энергии в горных породах и на основе изучаемого явления разрабатывается метод оценки изменения напряженно-деформированного состояния массивов горных пород и прогноза удароопасности. Началом этих работ послужили исследования сотрудников ТПУ, начатые в конце 60-годов под руководством чл. корр. АПН, профессора А.А. Воробьева. Исследования показали, что излучение электромагнитной энергии является многофакторным процессом, зависящим от физических свойств горных пород, генетического типа и структурно-текстурных особенностей. Следовательно, для уточнения разрабатываемого метода оценки НДС и повышения его надежности необходимо привлечь максимально возможное число измеряемых величин - параметров электромагнитной эмиссии.
В связи с изложенным, исследование взаимосвязи параметров электромагнитных сигналов с изменением напряженно-деформированного состояния горных пород, является актуальным.
Цель работы. Исследование взаимосвязи параметров электромагнитных сигналов (ЭМС) с изменением напряженно-деформированного состояния горных пород, их составом и строением с целью использования этих зависимостей для контроля и прогноза удароопасности.
Идея работы состоит в комплексном использовании измеряемых параметров интенсивности электромагнитной эмиссии (ЭМЭ) и электромагнитных сигналов (ЭМС) для повышения надежности оценки изменения напряженно-деформированного состояния горных пород.
Задачи исследований:
- обобщить теоретические положения электромагнитной эмиссии при механическом напряжении горных пород и опыт использования этого явления для оценки изменения НДС горных пород;
- изучить в лабораторных и натурных условиях взаимосвязь параметров ЭМС от состава и строения горных пород при различных способах нагружения;
- определить возможность использования параметров ЭМЭ и ЭМС для повышения эффективности оценки изменения НДС горных пород;
- исследовать применимость для контроля изменений НДС горных пород импульсного динамического возбуждения.
Методы исследований: физическое и математическое моделирование; лабораторные эксперименты по наблюдению параметров ЭМЭ и ЭМС в процессе квазистатического нагружения горных пород и при импульсном динамическом возбуждении; натурные эксперименты по наблюдению за ЭМЭ и ЭМС при изменении НДС массивов горных пород.
Основные научные положения, защищаемые автором:
- при формировании очага разрушения, сопровождающегося нарушением стационарности процесса деформирования горной породы, выделяемая электромагнитная энергия определяется как по интенсивности ЭМЭ, так и по параметрам ЭМС;
- распределение ЭМС по амплитуде определяется действующими механическими напряжениями, по длительности - зависит от структурно-текстурных особенностей горной породы;
- параметры ЭМС зависят от минерального состава, структурно-текстурного строения и влажности горных пород, как при изменении статических нагрузок, так и вследствие динамического воздействия.
Достоверность научных результатов подтверждается достаточным объемом экспериментальных данных, полученных в лабораторных и натурных условиях; применением современной техники и методов исследования явления механоэлектрических преобразований энергии в горных породах, корректностью постановки решаемых задач и их физической обоснованностью; обработкой экспериментальных данных с использованием методов математической статистики и специальных компьютерных программ; получением результатов, не противоречащих общепринятым физическим представлениям.
Новизна научных положений:
- установлена взаимосвязь интенсивности ЭМЭ и параметров ЭМС от этапов НДС горных пород. На этапе формирования очага разрушения, при котором происходит нарушение стационарности процесса деформирования, наблюдается увеличение интенсивности ЭМЭ и амплитуды ЭМС;
- исследована применимость закона Гуттенберга-Рихтера для измеряемых значений амплитуд ЭМС при нарушении стационарности процесса деформирования; установлено, что длительность ЭМС, генерируемого горной породой в процессе изменения НДС является структурно-чувствительной характеристи кой;
- показана возможность оценки структурных нарушений в горных выработках по измерению амплитудно-частотных характеристик ЭМС при импульсном динамическом воздействии на массив горных пород.
Личный вклад автора. Автор формулировал цели и задачи исследований, разрабатывал методики для проведения измерений, проводил эксперименты и расчеты, обобщал результаты.
Практическая ценность работы состоит в том, что полученные результаты важны для выявления физических закономерностей механоэлектрических преобразований энергии в горных породах и могут использоваться в физики горных пород для исследования процесса разрушения во времени; в геомеханике для контроля и прогноза геодинамических явлений; в сейсмологии для прогноза сейсмических событий; в геофизике для оценки электромагнитных свойств горных пород; в инженерной геологии для контроля оползневых процессов.
Реализация работы в промыииенности. Результаты работы внедрены в ПО «Сибруда». Научно-исследовательский комплекс на базе регистраторов РЭМС использован при наблюдении за изменением ЭМЭ и ЭМС в период проведения массовых взрывов.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались, обсуждались и получили одобрение на научных семинарах проблемной научно-исследовательской лаборатории электроники, диэлектриков и полупроводников (ПНИЛ ЭДиП) Томского политехнического университета, а также на VIII и X Всесоюзных симпозиумах по механоэмиссии и механохимии твердых тел (1981 г., 1986 г.); на семинарах «Геофизические основы контроля напряжений и деформаций в горных породах» (Новосибирск 1983 г, 1985 г., 1990 г., 1992 г., 1994 г.); на Всесоюзной школе семинаре «Физически основы прогнозирования разрушения в горных породах» (Иркутск 1988 г.); на 5 Всесоюзной научно-технической конференции «Разрушение горных пород при бурении скважин» (Уфа 1990 г.); на конференции «Оценка современных достижений в области безопасной отработки удароопасных месторождений, методам прогноза и предупреждения горных ударов» (Таштагол 2000 г.); на Международной конференции «Геомех ника в горном деле» (Екатеринбург 2000 г.); на 5 Международной конференции «Нетрадиционные и интенсивные технологии разработки месторождений полезных ископаемых» (Новокузнецк 2000 г.); на Международной конференции «Геодинамика и напряженное состояние недр Земли» (Новосибирск 2001 г., 2003 г.); на 7 Российско-Корейском симпозиуме (Ульсан, Корея 2003 г.); на Международной конференции по физической мезомеханике, компьютерному конструированию и разработке новых материалов (Томск 2004 г.); на III Международной конференции «Солнечно-земные связи и электромагнитные предвестники землетрясений (с. Паратунка, Камчатская обл. 2004 г.).
Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 17 печатных работах. Полученные результаты закреплены в 1 авторском свидетельстве.
Объем и структура диссертации. Диссертация изложена на 191 странице и состоит из введения, пяти глав, выводов по работе и списка используемой литературы из 168 наименований. Диссертация содержит 79 рисунков, 8 таблиц.
Автор благодарен и признателен своему учителю, ныне покойному, Гольду Роальду Михайловичу, без поддержки которого не могла состояться эта работа. Автор благодарен к.ф.-м.н., вед. науч. сотр. Беспалько А.А. за научную консультацию, методическую помощь и постоянное внимание к работе; к.ф.-м.н., доценту Ласукову В.В. за ценные советы и обсуждения; д.т.н., профессору Евсееву В.Д. и д.г.-м.н., профессору Сальникову В.Н за творческое участие в работе.
Природа электромагнитной эмиссии, возникающей при нагружении твердых тел
В начале 70-х годов в Томском политехническом институте под руководством профессора Воробьева А.А., впервые, в лабораторных условиях при механическом воздействии на диэлектрические материалы зафиксировано электромагнитное излучение (ЭМИ) [36-39,62]. Причиной ЭМИ предполагали переход различных видов энергии в электромагнитную.
Также, одной из первых работ, в которой была обнаружена, с помощью приемного устройства, радиоизлучение, сопровождающее разрушение твердого тела, следует считать и работу Тюриковой Л.А., Авербух Б.Г. [40]. В этом исследовании электромагнитные сигналы (ЭМС) были зафиксированы при нарушении адгезионной границы полимер - твердое тело. Авторы работы полагают, что генерирование электромагнитных колебаний в радиоволновом диапазоне является убедительным доказательством развития электрического газового разряда в растущей трещине нормального отрыва.
Следует отметить, что появление электромагнитной эмиссии при росте трещины, указывают и визуальные наблюдения световых вспышек, сопровождающих деформирование и разрушение кристаллов LiF, NaCl, КС1, NaF, CsJ Беляев Л.М., Мартышев Ю.Н. в [41,42]. При разрушении этих кристаллов в основном наблюдались импульсы, имеющие крутой фронт, ограниченный временем нарастания системы регистрации, и более пологий спад. Проведенное в этих исследованиях изучение кинетики свечения щелочногалоидных кристаллов показало, что испускание света происходит в виде отдельных световых импульсов различной интенсивности. Амплитуда таких импульсов имеет большой размах. Замечено, что количество световых электрических импульсов, возникающих при одноосном сжатии кристаллов LiF, увеличивается при достижении напряжений, соответствующих пределу прочности, т.е. когда начинается разрушение кристаллов. Заряд на поверхности в момент появления вспышек изменяется скачкообразно. При этом не наблюдалось соответствия между амплитудами импульсов напряжения на электродах, находящихся на двух противоположных боковых гранях образца, и амплитудами световых вспышек, хотя при действии на образец сосредоточенной нагрузкой корреляция между этими величинами существует. Изучение влияния температуры на количество возникающих при одноосном сжатии образцов фтористого лития световых импульсов показало, что увеличение температуры от 20 С до 150 С приводит к снижению количества импульсов электромагнитных сигналов, снижению их амплитуд и интенсивности свечения.
В соответствии с вышесказанным вполне естественно считать, что некоторые особенности электромагнитной эмиссии, сопровождающей развитие разрушения неорганических диэлектриков и горных пород, стали предметом исследования задолго до работы [40]. Более ранние исследования триболюминесценции неорганических и органических твердых тел, которые носили качественный характер и были направлены, главным образом, на классификацию тел, способных светиться при разрушении, показывают на то, что о наличии ЭМЭ при разрушении твердых тел известно давно.
В проведенном Пархоменко Э.И. [43] исследовании электризации и свечения образцов минералов (флюорит, роговая обманка, микроклин, натролит, сподумен, альбит) и горных пород (известняк, мрамор, гранодиорит, ангидрит), обнаружено, что минералы проявляли склонность к электризации и характер ее проявления аналогичен электризации и свечению щелочногалоидных кристаллов, для которых свечение минералов проявлялось только на стадии разрушения образцов. Горные породы, склонность к электризации не проявили: свечения при их сжатии и разрушении не отмечено. Появление световых эффектов при нагружении щелочногалоидных кристаллов и минералов связывается в работах [42,44] с развитием электроразрядных процессов на свежеобразованных поверхностях.
С электроразрядным механизмом возникновения электромагнитного излучения в микротрещинах твердого тела связывается и появление сигналов при нагреве образцов горных пород и минералов при увеличении температуры от 20 до 1100 С и охлаждении в работе Воробьева А.А. и Сальникова В.Н. [45]. Регистрируемый электромагнитный сигнал в длинноволновом диапазоне распределен по всему интервалу температур, а для коротких волн импульсы появляются преимущественно в высокотемпературной области.
В исследовании Гончарова А.И. [46], посвященном выявлению связи между электромагнитной эмиссией и акустической эмиссией, возникающими при одноосном сжатии бетонных блоков при скорости деформации 1,5 мм/мин, установлено, что зависимость накопленного за время нагружения бетонного блока числа импульсов ЭМЭ ЫЭмэ повторяет изменение в процессе нагружения накопленного числа импульсов акустической эмиссии NA3- Коэффициент корреляции между NOM3 и NA3 достигает 0,96 для любых промежутков времени нагружения. Авторы этого исследования полагают, что, поскольку при хрупком разрушении бетона и горных пород появление импульсов акустической эмиссии связано, в первую очередь, с образованием и развитием трещин, то и появление импульсов ЭМЭ также связано с этими процессами. К особенностям принимаемых рамочной антенной электромагнитных сигналов следует отнести их импульсный характер с амплитудами импульсов, отличающихся на порядок и более, а также наличие двух областей "затишья" на зависимости ИэмэСО В работе Головина ЮИ. [21] появление электромагнитной эмиссии при сжатии монокристаллов LiF, NaCl, КС1 связывается с неравномерностью пластического течения кристаллов и взрывообразным зарождением в них микротрещин. Согласно этой работе, только в этом случае при разрушении диэлектриков создаются электрические поля, параметры которых близки к наблюдаемым. Килькеев Р.Ш. в [47] полагает, что наличие электрических эффектов при разрушении гетерогенных систем, какими и являются горные породы, связано с неоднородной деформацией двойных электрических слоев, возникающих на адгезионных границах. Согласно работе [48], появление электромагнитных импульсов при нагружении диабаза связано с развитием трещинообразования в горной породе и вызвано движением заряженных сторон трещин, но не с развитием газоразрядного процесса. Другим важным достижением упомянутой работы является установление идентичности формы электромагнитных импульсов, возникающих при деформировании ионных 1 кристаллов и горных пород.
Исследование электромагнитного излучения, сопутствующего разрушению монокристаллов и горных пород, было продолжено в работах Хатиашвили И.Г. [49-51]. В этих исследованиях установлено, что интенсивность электромагнитной эмиссии, сопровождающей нагружение диэлектрических тел, зависит от длины трещины, плотности заряда, появляющегося на свежей поверхности, модуля сдвига разрушаемого тела. С помощью созданного авторами импульсного анализатора спектра показано, что спектр эмиссии при разрушении горных пород и кристаллов квазинепрерывен, имеет индивидуальные особенности для каждого ф разрушаемого твердого тела: интенсивность и ширина спектра различных тел отличаются. Для кварца частотный диапазон электромагнитной эмиссии лежит в пределах от 100 Гц до 30 МГц, а максимум излучения приходится на диапазон 1-100 кГц; кварцевые диориты имеют столь же широкий диапазон частот: от 100 Гц до 10 МГц. В работе Гершензона Н.И., Залпимиани Д.О. [52] при разрушении кристаллов LiF по направлению 100 установлено, что появление электромагнитных импульсов вызвано развитием трещин скола, а форма сигнала определяется кинетикой ее развития.
Методическое и аппаратурное обеспечение лабораторных исследований при ударном нагружении
В настоящей работе ударное нагружение исследуемых образцов горных пород осуществлялось двумя способами. Возбуждение ударной нагрузки стальным шариком Блок-схема установки для ударного зажимался плотно в тисках нормированного воздействия на образцы горных пород с ) так что часть боковой одновременной регистрацией электромагнитного сигнала г поверхности образца осталась свободной. С этой стороны, на расстоянии 2 мм помещался емкостной датчик (4). С высоты 15 см на торцевую поверхность образца сбрасывали стальной шарик (3). В момент удара шарика о поверхность возникал электромагнитный сигнал, который фиксировался на электронном осциллографе. Линия задержки (5) служила для синхронизации запуска осциллографа.
Экспериментальная установка для импульсного динамического воздействия: 1 - цифровой двухканальный осциллограф Tektronix TDS210; 2 - персональный компьютер; 3 - пьезоакустический приемник; 4 - система динамического возбуждения; 5 - исследуемый образец горной породы; 6 - электромагнитный дифференциальный датчик, со встроенным согласующим устройством и усилителем с коэффициентом усиления 100.
Для возбуждения ЭМС к образцу (5) через акустический контакт (минеральное масло) с помощью пружинной механической системы (4) возбуждения, использующей стальной шарик, вводится акустический сигнал, распространяющийся по образцу с продольной скоростью. Акустический сигнал, проходя через образец, возбуждает ЭМС и регистрируется пьезоакустическим приемником (3). Сигнал с (3) служит для запуска осциллографа и записывается на его экране. Для регистрации ЭМС используется емкостной дифференциальный датчик (6), который принимает электрическую составляющую ЭМС. Датчик имеет согласованный дифференциальный вход. Усиленный ЭМС с (6) поступает на осциллограф Tektronix TDS210 (1). Далее ЭМС с осциллографа через интерфейс поступает на компьютер (2), где производится его дальнейшая обработка и анализ регистрируемых электромагнитных и акустических сигналов. Конструкция (4) использовалась для пьезовозбуждения исследуемых образцов с помощью генератора акустических сигналов. Длительность акустического сигнала варьировала от 1 10"6ч-1 10" с.
В этом случае динамическое воздействие на образцы горных пород производилось электромеханическим ударником. Перпендикулярно плоскости удара на расстоянии 3 мм от поверхности образца устанавливался емкостной датчик, который подключался к двухканальному измерительному комплексу EMISSION, разработанному в ПНИЛ ЭДиП ТПУ [122]. Этот комплекс предназначен для исследования электромагнитной и акустической эмиссии образцов твердых диэлектрических и полупроводниковых материалов с последующей записью и обработкой данных на ПЭВМ. Наряду с электромеханическим ударником при работе с этим прибором, как и в первом случае, возможно возбуждение упругой волны сбрасыванием металлического шарика с фиксированной высоты. В момент удара регистрировался электромагнитный отклик, который через блок предварительного усилителя подавался на измерительный комплекс. Для анализа ЭМС в состав EMISSION включен компьютер. При использовании электромеханического ударника частота оцифровки электромагнитного сигнала устанавливалась в зависимости от частотного спектра ЭМС, свойственного исследуемой горной породе. Для образцов Таштагольского железорудного месторождения и кварца она составляла 309 кГц. Длительность удара при таком способе возбуждения составляла порядка 5 мс. При воздействии шариком диаметром 1,5 мм, сбрасываемого с высоты 12 см, энергия удара составляла 1 мкДж, длительность удара составляла порядка 0,5 мкс. При экспериментах на образцах мрамора частота оцифровки составляла 309 кГц, 594 кГц и 945 кГц.
Для наблюдений ЭМС при обследовании оползневых массивов и натурных измерений в шахте в качестве измерительной аппаратуры использовался переносной радиоволновой индикатор напряженно-деформированного состояния (РВИНДС), изготовленный в ПНИЛ ЭДиП ТПУ [123]. РВИНДС предназначен для наблюдений за характеристиками естественного импульсного электромагнитного поля Земли (ЕИЭМПЗ) с целью оценки напряженно-деформированного состояния массивов горных пород. В качестве приемника электромагнитных сигналов использовался стержневой индуктивный датчик [124]. Диаграмма направленности на прием ЭМС такого датчика перпендикулярна к оси стержня [125]. Конструкция РВИНДС позволяет легко ориентировать антенный блок в пространстве на максимум приема излучения от источника.
Аналоговые электромагнитные сигналы с блока антенной приставки после фильтрации и усиления отделяются от шумов и преобразуются в последовательность логических сигналов, средняя частота повторений которых пропорциональна измеряемой величине интенсивности сигналов. Эта последовательность поступает на интегрирующий измеритель скорости счета, показания которого выводятся на стрелочный индикатор. Постоянная времени усреднения может быть равна 2,5 и 5 секундам. При постоянной времени 5 с величина статистических флуктуации снижается, т.е. повышается точность отсчетов, но при этом повышается инерционность прибора.
С помощью РВИНДС проводились профильные измерения ЭМЭ при обследовании оползневых массивов в выбранных направлениях. Эти измерения велись с шагом 10-20 метров. На каждом пикете снимали 7 значений отсчетов с интервалом 5 секунд.
Усовершенствованный вариант переносного РВИНДС-П предназначен для маршрутных и стационарных наблюдений суммарного числа ЭМС, частоты следования и усредненной амплитуды электромагнитного сигнала, генерируемого массивами горных пород при изменении напряженно-деформированного состояния массива.
Характеристики приемника электромагнитных сигналов: - частотный диапазон 102 - 10Э Гц - динамический диапазон 50 мкВ - 5мВ - регулировка чувствительности - дискретная, одиннадцать ступеней - мощность, потребляемая прибором - 5 Вт Прием электромагнитных сигналов осуществлялся двумя типами датчиков: индуктивным, который осуществляет прием ЭМС по магнитной составляющей поля и емкостным, принимающим электрическую составляющую электромагнитного поля. Индуктивный датчик выполнен из ферритового стрежня и катушки с обмоткой. Емкостной датчик выполнен на фольгированном стеклотекстолите. Датчики согласованы с входным сопротивлением аналогового усилителя.
Взаимосвязь интенсивности ЭМС с напряженно-деформированным состоянием модельных образцов
Поиски объяснений наблюдаемым явлениям механоэлектрических преобразований неизбежно приводят к постановке модельных экспериментов, как одному из доступных способов в той или степени воспроизведения протекающих в земной коре процессов. Несмотря на возможность качественных отличий в физических закономерностях процессов разрушения больших и малых деформируемых объемах, их объединяют известные экспериментальные факты: при деформации и разрушении твердых тел возникают электрические поля и токи, генерируются электромагнитные сигналы [150]. В натурных условиях анализ процесса изменения напряженно-деформированного состояния массива осложняется гетерогенностью горных пород. В таких случаях естественно использовать моделирование на более простых образцах.
При изменении механической нагрузки на горную породу изменение относительной деформации характеризует процесс трещинообразования, который по результатам исследований, выполненных рядом авторов [151-154], можно разделить на несколько типичных участков. Схематические кривые «осевое напряжение - осевая деформация» и «осевая деформация - поперечная деформация» приведены на рис. 3.1.
На первом участке происходит локальное разрушение при неупругом сжатии, вызванное шероховатостью поверхности торцов образца и смыканием открытых трещин. Продольная деформация при этом изменяется нелинейно. На следующей стадии наблюдается почти линейно-упругое состояние породы без заметного изменения структуры образца. Третий участок характеризуется ростом существующих трещин и появлением первых микротрещин в центральной части образца. Этот участок можно охарактеризовать как формирование очага разрушения или начало разрушения. Зависимость продольной деформации от напряжения на этом участке линейная. По сведению автора [155], этот этап соответствует напряжению 0,6 РразруШ. На четвертом участке, с приближением к пределу прочности, происходит быстрое увеличение концентрации микротрещин. Этот этап носит название -предразрушающий и соответствует напряжению 0,9-0,95 РразУш..
Схематизированные кривые осевое напряжение - осевая деформация и осевая деформация - поперечная деформация с разделением на шесть участков, типичных по характеру трещинообразования [134.] На этом участке зависимость продольной деформации от напряжения нелинейная. Пятый и шестой участок характеризуются образованием плоскости макротрещины. Происходит быстрое снижение несущей способности и скольжение по плоскости макротрещины с возрастающим разрушением и дроблением. В наших экспериментах мы не рассматриваем пятый и шестой участок, т.к. целью наших исследований является изучение закономерностей деформирования материала до этапа предразрушения и оценка изменения напряженно-деформированного состояния по регистрируемой ЭМЭ.
Эксперименты проводились на модельных образцах, изготовленных из цементного раствора. Из рисунков 3.2 и рис. 3.3 видно, что первый пик интенсивности ЭМС приходится на начальный этап нагружения, на котором происходит смыкание имеющихся трещин и выравнивание шероховатостей поверхности образца. Это соответствует первому участку зависимости «напряжение-деформация» [134]. Второй всплеск интенсивности приходится на нагрузку 0,6-0.7 РразРуш. Эту нагрузку можно интерпретировать как этап формирования очага разрушения или третий участок деформационной кривой. Дальнейшее увеличение сжимающего усилия приводит к уменьшению интенсивности ЭМЭ и следующее резкое увеличение интенсивности ЭМЭ соответствует четвертому участку деформационной кривой, на котором происходит собственно разрушение образца.
Появление и рост трещины в процессе одноосного сжатия образца цементного раствора Здесь же показано изменение амплитуды ЭМС в процессе нагружения. На рис. 3.6 приведены фотографии временного процесса появления и роста трещины разрушения в процессе одноосного сжатия образца цементного раствора. Кадр 1 соответствует первому этапу деформирования, на котором трещины еще нет. Кадры 2 и 3 соответствуют третьему этапу нагрузки. Здесь видно появление трещины нормального отрыва. Кадры 4 и 5 соответствуют переходу от четвертого этапу к пятому.
Исследования, проведенные на модельных образцах цементного раствора, позволяют предположить, что по интенсивности ЭМС можно контролировать процесс трещинообразования, а, следовательно, и связанное с ним изменение напряженно-деформированное состояния. Формирование очага разрушения соответствует нагрузке 0,6-0,7 Рразруш и сопровождается значительным увеличением интенсивности ЭМЭ.
Зависимость частоты следования электромагнитных сигналов от нагрузки для образцов гранита Такие характерные зависимости наблюдаются для образцов с пределом прочности 0,8-107 Па. Из рисунка видно, что на ступени нагружения 0,6-0,7 Рразруш. резко возросла частота следования ЭМС. Учитывая результаты модельных экспериментов, эту нагрузку можно связать с началом формирования очага разрушения. На следующей ступени нагружения, соответствующей нагрузке 0,8 Рра3руш. электромагнитная активность снизилась. Дальнейшее увеличение сжимающего усилия оказалось предельным для образца и произошло разрушение, которое сопровождалось резким ростом интенсивности ЭМЭ. Таким образом, в процессе эксперимента выделяются три этапа, которые можно приурочить к появлению наиболее высокоэнергетических электроэмиссионных событий: - первый этап обусловлен процессом уплотнения образца под нагрузкой и соответствует 1 участку деформационной кривой; - на втором этапе происходит формирование очага разрушения, обусловленного детерминированным и ускоренным развитием дефектов, приводящего к нарушению стационарности процесса разрушения; - на третьем участке наблюдается увеличение интенсивности электромагнитной эмиссии.
Распределение параметров электромагнитного сигнала на различных этапах напряженного состояния горных пород
Зарегистрированные в процессе эксперимента ЭМС были распределены по трем группам. В первой - находились сигналы, генерируемые образцами на начальной стадии делегирования 0 а 0.5апред, где апред - прочность при одноосном сжатии; во второй - сигналы, соответствующие изменению напряжений в диапазоне 0.5ст фед а 0.9апред ; в третьей - сигналы, регистрируемые на заключительной стадии деформирования, когда сжимающее напряжение возрастает от 0.9anpea до 0.98апред- Электромагнитные сигналы, возникающие непосредственно в момент макроразрушения образцов, нами не рассматривались.
Распределение сигналов по группам имеет следующее физическое обоснование. В первой группе объединены ЭМС, возникающие на стадии смыкания имеющихся в структуре образца трещин и пор, и ЭМС участка упругой деформации. Выделение второй и третьей группы связано с характером возникающих нарушений структуры образца. Согласно [134], при нагрузке 0.6апред уже возникают нарушения структуры в виде трещин нормального отрыва в направлении наибольшего главного напряжения. По этой причине во вторую группу были отнесены импульсы, генерируемые при напряжениях больших 0.5а1]ред, а в третью - сигналы, зафиксированные на этапе деформирования, приводящее к макроразрушению.
Из рисунка видно - сигналы отличаются по форме. Следует отметить, что параметры ЭМС определяются не только прочностными свойствами горной породы, но и их минералогическим составом. Это подтверждается экспериментами, проведенными при одноосном нагружении образцов кварцитов.
Различие дисперсии средних значений амплитуд, зафиксированных на второй и третьей стадии нагружения, по критерию Фишера незначимо при указанной величине доверительной вероятности. В этом случае F\ = 1.35, а F2(0.05,9,8) = 3.39. Чтобы проверить значимости средних амплитуд для этих этапов нагружения использовали статистическую формулу: _ (х-у) \пт{п + т-2) \\n-lp2 +{m-l)S3 где n, m - число степеней свободы 2 и 3 выборок, х, у - среднее значение амплитуды на соответствующих этапах. Наблюдаемое значение статистики Т] = -0.05. По таблице критических точек распределения Стьюдента критическое значение Т2 (0.05,17) = 1,74. Поскольку Т) Т21, то среднее значение амплитуды второй и третьей стадии нагружения отличаются незначимо. Это обстоятельство объясняется тем, что при больших напряжениях, как отмечалось ранее, нарушается стационарность процесса. Такая нестационарность процесса приводит к большому разбросу значений, как длительности, так и амплитуды сигналов. Различие дисперсии амплитуды ЭМС между первым и вторым этапами нагружения дает основание предполагать, что второй этап сопровождается качественными изменениями структуры образца.
Более длинные импульсы на первых стадиях изменения сжимающей нагрузки появляются редко (рис. 4.10а, 4.106). Электромагнитные сигналы, имеющие длительность, превышающую 200 мкс, появляются в основном во второй неупругой стадии деформирования, т.е. число их в общем количестве импульсов возрастает с ростом сжимающего напряжения (рис. 4.10в). Появление импульсов, обладающих различными амплитудами и длительностями уже на упругой стадии деформирования, связано с многоуровневой дефектностью горных пород, в частности, с наличием пор и трещин различного размера, обеспечивающих неоднородность напряженного состояния в области дефектов.
Заключительная стадия деформирования образцов характеризуется и значительным ростом энергетического параметра (таблица 4.1), величина которого увеличилась более чем на порядок, и при этом на порядок возросла его дисперсия. Чтобы объяснить увеличение длительности регистрируемых импульсов был проведен модельный эксперимент.
Математическую модель формирования ЭМС можно представить следующим образом. Отрезок времени t случайным образом заполняли N импульсами треугольной формы, длительностью т и амплитудой Ео- Время t разбивали на равные промежутки Atj. В пределах каждого Atj подсчитывалась напряженность поля: , = Ё , где Ё - вклад в напряженность от каждого импульса, попадающего в интервал Atj. Строили зависимость E(t) на участке от 0 до t, которая интерпретировалась как сигнал, полученный в результате суперпозиции N импульсов. Модель дает возможность случайным образом задавать ориентацию вектора Ё в пределах выбранной дисперсии.
