Содержание к диссертации
Введение
1. Современное состояние проблемы изучения зон поверхностного выветривания горных пород 11
1.1. Характеристика выветривания как одного из процессов природной и техногенной экзодинамики 11
1.2. Влияние выветривания на свойства и состояние горных пород, условия эксплуатации месторождений и процессы горного производства 15
1.3. Общая характеристика задач и методов изучения выветривания в массиве горных пород и отдельных структурных его элементах 22
1.4. Применение геофизических методов для изучения зон выветривания в горных породах 26
1.5. Выводы и постановка задач исследований 33
2. Теоретическое обоснование применения ультразвукового эхо-метода для оценки нарушепности образцов геоматериалов под влиянием факторов выветривания 36
2.1. Выбор параметров модели контроля нарушенпости образцов геоматериалов по уровню структурных шумов ультразвуковой эхолокации 36
2.2. Расчет электроакустического тракта при контроле состояния образцов геоматериалов эхо-методом 50
2.3. Оценка информативных параметров эхо-метода при контроле нарушенности геоматериалов по уровню структурных шумов .. 56
2.4. Основы методики контроля нарушенности образцов геоматериалов ультразвуковым эхо-методом по уровню структурных шумов 70
2.5. Обоснование способа ультразвукового контроля нарушенности плит облицовочного камня на основе комплексирования эхо-локации и поверхностного прозвучивания с использованием волн Рэлея 72
Выводы 77
3. Экспериментальные исследования влияния выветривания на степень нарушенности геоматериалов с использованием ультразвукового эхо-метода 78
3.1. Качественная оценка степени нарушенности геоматериала по уровню структурных шумов, возникающих при ультразвуковой эхоскопии исследуемых образцов 78
3.2. Использование структурных шумов, возникающих при ультразвуковой эхоскопии геоматериала для определения границ слоев с существенно различной нарушенностью 84
3.3. Использование ультразвуковой эхоскопии для опенки степени нарушенности и глубины нарушенной зоны геоматериала под влиянием факторов выветривания 88
3.4. Оценка степени выветривания облицовочных изделий из природного камня на основе сочетания ультразвуковой эхоскопии и поверхностных измерений с использованием волн Рэлея 99
Выводы 107
4. Оценка степени поврежденности геоматериалов под влиянием факторов выветривания на основе использования акустоэмиссионного эффекта памяти и ультразвуковых акустополяризационных измерений на образцах 108
4.1. Показатель сохранности памяти как мера поврежденности геоматериала 108
4.2. Постановка экспериментальных исследований по установлению взаимосвязи между степенью выветривания геоматериалов и показателем сохранности памяти в них 112
4.3. Результаты экспериментальных исследований по установлению взаимосвязи между степенью выветривания доломитизированного известняка и показателем сохранности памяти в нем 113
4.4. Способ оценки степени выветривания горных пород на основе ультразвуковых акустополяризационных измерений на образцах 127
4.5. Оценка степени выветривания мрамора в условиях его естественного залегания на основе различных видов ультразвуковых измерений на образцах 139
Выводы 147
Заключение 149
Список литературы 151
- Влияние выветривания на свойства и состояние горных пород, условия эксплуатации месторождений и процессы горного производства
- Оценка информативных параметров эхо-метода при контроле нарушенности геоматериалов по уровню структурных шумов
- Использование структурных шумов, возникающих при ультразвуковой эхоскопии геоматериала для определения границ слоев с существенно различной нарушенностью
- Результаты экспериментальных исследований по установлению взаимосвязи между степенью выветривания доломитизированного известняка и показателем сохранности памяти в нем
Введение к работе
Выветривание представляет собой один из наиболее значимых процессов природной и техногенной экзодинамики. Оно носит повсеместный и непрерывный характер, отличается чрезвычайным разнообразием и сложностью конкретных механизмов и проявлений, широким диапазоном влияния на состав, строение, структурно-текстурные особенности и свойства горных пород. Неизбежным следствием этого влияния являются механическое разуплотнение, структурная дезинтеграция и, в конечном счете, разномасштабная нарушсшюсть исходного геоматериала. Сведения о степени и границах этой нарушенности составляют неотъемлемую часть информационного обеспечения эффективного и безопасного ведения горных работ, строительства и эксплуатации подземных сооружений различного назначения. Особенно важно получение такой информации при добыче, обработке, определении сфер рационального использования и прогнозе долговечности природного камня и изделий из него, прежде всего облицовочных.
Для оценки нарушенности горных пород под влиянием факторов выветривания в настоящее время используются разнообразные инженерно-геологические и геофизические методы. Принято считать, что среди последних наиболее эффективны акустические методы, информативные параметры которых связаны устойчивыми корреляционными связями с плотностными, упругими и прочностными свойствами горных пород, а следовательно, и с их интегральной нарушенностью.
Особое место среди акустических методов геоконтроля занимают так называемые ультразвуковые методы, основанные на применении упругих волн различных типов, частота которых превышает 20 кГц и в ряде случаев может достигать 1 МГц и более. Указанные методы допускают проведение исследований как непосредственно в массиве, так и на образцах (керне), плитах и блоках горных пород, отличаются высокими информативностью, чувствительностью и пространственной разрешающей способностью. Однако в
практике изучения зон выветривания геоматериалов в настоящее время используются только активные ультразвуковые методы, реализующие прозву-чивание на продольных волнах и ограничивающиеся использованием кинематических характеристик импульсного акустического сигнала в качестве информативных. Как следствие потенциальные возможности ультразвуковых методов реализуются не полностью, что и предопределяет актуальность их совершенствования путем использования нетрадиционных для изучения выветривания схем, режимов и информативных параметров контроля.
Исследования, результаты которых представлены в настоящей работе, проводились при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (гранты №№ 99-05-65575, 01-05-64105), а также в рамках утвержденных Минобразованием РФ планов НИР МГГУ по темам: «Разработка ультразвуковых методов оценки нарушенное горных пород под влиянием природного и техногенного выветривания» (№ гос. регистрации 01200211914) и «Теоретическое и экспериментальное обоснование изучения структуры, свойств и состояния горных пород на основе принципов ультразвуковой эхо-скопии» (№ гос. регистрации 01200304882).
Идея работы заключается в использовании для оценки нарушешюсти горных пород под влиянием факторов выветривания нетрадиционных для такой оценки способов геоконтроля на базе эхо-имиульсных, акустоэмиссион-ных и акустополяризационных измерений в ультразвуковом диапазоне частот.
Цель работы - установление взаимосвязей между степенью нарушенное горных пород, с одной стороны, и информативными параметрами эхо-импульсных, акустоэмиссионпых и акустополяризационных ультразвуковых измерений - с другой, для разработки на этой основе соответствующих способов геоконтроля.
Указанная цель предполагает решение следующих основных задач:
- разработать теоретическую модель, провести расчет электроакустического тракта, обосновать и оценить информативные параметры контроля вы-
ветривания геоматериалов с использованием ультразвуковых эхо-импульсных измерений;
на основе разработанной теоретической модели провести численное моделирование изменения информативных параметров ультразвуковой эхо-скопии геоматериалов в функции от их нарушенности;
разработать методическое и аппаратурное обеспечение оценки степени выветрелости геоматериалов ультразвуковым эхо-импульсным методом с использованием структурных шумов в качестве информативного параметра контроля;
разработать алгоритм и аппаратурное обеспечение оценки нарушенности плит облицовочного камня неизвестной толщины на основе комплектования реализуемых на свободной поверхности эхо-импульсных ультразвуковых измерений и двухчастотных ультразвуковых измерений с использованием волн Рэлея;
обосновать и экспериментально оценить возможность оценки степени выветрелости геоматериалов на основе акустоэмиссиоиных и акустоноляри-зационных измерений в ультразвуковом диапазоне частот.
Основные научные положения, выносимые на защиту:
Обусловленную выветриванием нарушенность горных пород при ее исследовании ультразвуковым эхо-методом целесообразно характеризовать двумя параметрами - коэффициентом затухания продольных волн вследствие рассеяния в приповерхностной области контроля и глубиной, на которой этот коэффициент уменьшается в е раз. При этом значения указанных параметров могут быть получены по измеренным уровням донного сигнала и структурных шумов, соответствующих различным глубинам, путем их сравнения с данными численного моделирования на основе теоретической модели ультразвуковой эхоскопии нарушенного геоматериала.
Оценка степени выветрелости плит облицовочного камня при одностороннем доступе к ним может быть осуществлена на основе сравнения между собой скоростей распространения рэлеевских волн, измеренных на двух
отличающихся в 1,5 - 2 раза рабочих частотах, и сравнения каждой из них со скоростью распространения продольных волн, полученной на основе двух типов время-импульсных ультразвуковых измерений в эхо-режиме, первый из которых осуществляется с использованием совмещенного преобразователя, а второй - разнесенных относительно друг друга приемного и излучающего преобразователей.
Степень сохранности геоматериала, подверженного влиянию выветривания, может быть оценена на основе измерения показателя сохранности акустоэмиссионного эффекта памяти FR при двухцикловом нагружении образцов с возрастающей от цикла к циклу нагрузкой. Получаемый в результате этих измерений индекс сохранности J(FR) представляет собой отношение показателей FR соответствующих исследуемому и условно эталонному образцам при одинаковых режимах их нагружения. При J{fr) -> 1 степень сохранности геоматериала максимальна, а при J{fr) -> 0 - минимальна.
Степень сохранности геоматериала, подверженного влиянию выветривания, может быть оценена на основе акустополяризационных измерений, обеспечивающих определение соответствующего индекса сохранности У4, представляющего собой отношение площадей акустополяриграмм, полученных в исследуемом и эталонном, т.е. условно ненарушенном образцах. При JA ->1 степень сохранности максимальна, а при JA -» 0 - минимальна.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются:
удовлетворительной сходимостью рассчитанных теоретически и измеренных экспериментально характеристик и параметров элементов электроакустического тракта ультразвуковой эхоскопии нарушенных выветриванием геоматериалов;
удовлетворительной сходимостью (с погрешностью не превышающей
несколько процентов) результатов оценки глубины приповерхностной нару-
шенности геоматериалов, полученных по данных ультразвуковой эхоскопии
и послойного контроля этих материалов с использованием волн Рэлея;
хорошей воспроизводимостью установленных взаимосвязей информативных параметров предложенных способов ультразвукового контроля геоматериалов со степенью нарушенности последних при многократных измерениях;
использованием при проведении экспериментов хорошо зарекомендовавшего себя и обладающего высокими метрологическими характеристиками аппаратурного обеспечения ультразвуковых измерений.
Научное значение работы заключается в разработке теоретической модели электроакустического тракта ультразвуковой эхоскопии горных пород, учитывающей экспоненциальный характер изменения их нарушенности с глубиной, а также в установлении взаимосвязей между информативными параметрами эхоимпульсных, акустоэмиссионных и акустополяризационных ультразвуковых измерений в горных породах с одной стороны и степенью их нарушенности под влиянием факторов выветривания - с другой.
Практическая ценность работы состоит в разработке способов оценки степени нарушенности горных пород под влиянием факторов выветривания, основанных на эхоимпульсных, акустоэмиссионных и акустополяризационных ультразвуковых измерениях, а также аппаратурного и методического обеспечения для их реализации.
Реализация работы. В рамках диссертации создана «Методика оценки нарушенности горных пород под влиянием факторов выветривания с использованием ультразвукового метода отраженных волн», которая утверждена в МГГУ и передана для практического использования в ФГУП «ВНИПИИстромсырье». Кроме того материалы диссертации используются в лекционном и лабораторном курсах дисциплины «Горная геофизика», читаемой студентам специальности «Физические процессы горного или нефтегазового производства» физико-технического факультета МГГУ.
Апробация работ. Основные положения диссертации докладывались
на научных симпозиумах «Неделя горняка» (Москва, 2000, 2001, 2006гг.). Международном симпозиуме «EUROCK 2000» (Aachen 2000), Международной геофизической конференции «300 лет горно-геологической службе России» (С-Петербург, 2000), XVI Сессии Российского акустического общества (Москва, 2005), Международной конференции «Физические проблемы разрушения горных пород» (Москва, 2005).
Публикации. Результаты выполненных исследований отражены в 8 печатных работах.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения, изложенных на 159 страницах, содержит 39 рисунков, 11 таблиц, список литературы из 87 источников.
Основными предпосылками для решения поставленных в работе задач являлись результаты теоретических и экспериментальных исследований в области геоакустики ультразвукового диапазона частот, полученные в разные годы такими учеными как Ватолин Е.С., Воларович М.П., Горбацевич Ф.Ф., Данилов В.Н., Дзенис В.В., Ермолов И.Н., Кузнецов О.Л., Кузнецов Ю.И., Лавров АВ., Меркулова В.М., Носов В.Н., Рубан А.Д., Савич А.И., Силаева О.И., Тютюнник П.М., Черепецкая Е.Б., Шкуратник В.Л., Якобашвили О.П., Ямщиков B.C. и др.
Автор выражает благодарность научному руководителю диссертации проф., д.т.н. Шкуратнику В.Л. за помощь в постановке и проведении исследований, а также ст.н.с, к.т.н. Ермолину А.А. за практическую помощь в разработке аппаратуры контроля и проведении экспериментов.
Влияние выветривания на свойства и состояние горных пород, условия эксплуатации месторождений и процессы горного производства
В отличие от других процессов природной экзодинамики выветривание носит непрерывный и повсеместный характер, отличается чрезвычайным разнообразием конкретных механизмов и проявлений, широким диапазоном степени влияния на состав, структуру, свойства и состояние геоматериалов.
Процессы выветривания представляют собой не механическую сумму физических, физико-химических, биохимических и биологических процессов и явлений, а их динамическое сочетание, приводящее к образованию качественно нового геоматериала.
Конкретный состав комплекса природных процессов выветривания зависит, прежде всего, от исходного вещества геоматериала и зональных факторов, среди которых решающую роль играют климатические факторы.
Как правило, для определенного типа горных пород один (или несколько) из процессов, входящих в состав общего комплекса процессов выветривания, является преобладающим. Так, например: при выветривании известняков наиболее активно происходит выщелачивание отдельных зерен, а также расширение межзеренных швов и увеличение йор; в песчаниках обычно происходит выщелачивание цемента и последующее выпадение зерен; в изверженных породах в первую очередь изменяются оливин и слюды, затем полевые шпаты [2].
Многочисленные исследования свидетельствуют также, что скорость и степень выветривания существенно зависят от структурных и текстурных особенностей горных пород. Так, на крупнозернистые породы факторы выветривания действуют в большей степени, чем на мелкозернистые. Например, как отмечается в [2], граниты группы рапакиви, отличающиеся особой крупнозернистостью, и другие сходные с ними породы показывают следы выветривания на глубинах до 20-25 м. В то же время для среднезернистых гранитов тех же районов следы выветривания наблюдаются на глубинах, не превышающих единицы метров. Как правило, в анизотропных горных породах выветривание проявляется в существенно большей степени, чем в изотропных [3].
Что касается влияния климатических факторов, то оно легко прослеживается путем сравнения степени выветривания изделий из облицовочного камня, эксплуатируемых в различных климатических зонах. Так, например, исследованиями, проведенными в Кольском научном центре РАН, показано, что в жестких климатических условиях Мурманской области коелчинский мрамор через 5-10 лет полностью теряет полировку и его внешний вид ухудшается настолько, что возникает необходимость полной замены облицовки [4]. В то же время аналогичные изменения коелчинского мрамора в Московском регионе наступают только через 20-30 лет [5].
Мониторинг состояния облицовочного камня позволяет также говорить о значительном влиянии на процессы выветривания агрессивных веществ в атмосфере [5-9]. Такие вещества могут иметь геохимическую природу, то есть обусловливаться окружающей территорией (наличие моря, засоленных почв и т.д.), или техногенную природу, то есть обусловливаться выбросами промышленных предприятий и транспорта. При этом отмечено, что если интенсивность выветривания одного и того же геоматериала в зависимости от климатических условий может изменяться на порядок, то в зависимости от атмосферных условий - на два порядка.
К техногенным относят процессы выветривания, обусловленные нарушением существовавших в природе условий, приводящим к активизации влияния агентов выветривания (воды, углекислого газа, кислорода и др.).
Повышение интенсивности выветривания в зонах ведения горных работ отмечается многими авторами [10-15] и связывается, прежде всего, с появлением новых плоскостей обнажений, в результате чего резко изменяются естественные термодинамические и гидрогеологические условия. Причем породы, примыкающие к этим плоскостям, как правило, сильно нарушены (например, в результате взрывных действий), что приводит к усилению влияния агентов выветривания.
Отмечено, что горные породы, обнаженные в бортах карьеров, подвергаются большему воздействию факторов выветривания, чем в подземных горных выработках [10]. Однако и в последних влияние выветривания весьма заметно. В общем случае оно проявляется в повышенной трещиноватости приконтурных пород, их расслаивании, а при увлажнении - размягчении, размокании, набухании и г.п. Проветривание выработок приводит к иссушению горных пород, развитию в них явлений усадки, шелушению, ускорению процессов окисления. В ряде случаев в зависимости от конкретных горногеологических условий выветривание выступает "провокатором" других эк-зодипамических процессов в массиве, например, процессов карстообразова-ния.
Мощность зоны техногенного выветривания, как правило, существенно меньше мощности зоны природного выветривания и обычно не превышает нескольких метров. В зонах естественного выветривания все соответствующие процессы (разуплотнения, дезинтеграции, разрушения и др.) происходят относительно медленно, но в течение длительного геологического периода. Вот почему мощность зон естественного выветривания на месторождениях может достигать десятков метров [16].
Отмечена также повышенная интенсивность выветривания в тех случаях, когда вскрываемые выработками участки массива характеризуются значительной природной неоднородностью и нарушенностью [17].
Среди агентов подземного выветривания особое место занимают техно генные факторы, представляющие собой непосредственно производственные процессы и проявляющиеся в дроблении пород массива при проведении взрывных работ, измельчении их буровым инструментом и колесно-гусеничными механизмами и т.п. Действие этих факторов отличается, как правило, высокой интенсивностью и способствует ускоренному образованию техногенных зон вокруг выработок [11].
Анализ показывает, что зона выветривания, как правило, чрезвычайно неоднородна по мощности и степени нарушенное, а также скорости своего образования. Это обусловлено комплексным влиянием таких факторов, как: разномасштабная природная и наведенная неоднородность состава, структуры и свойств горных пород; неравномерный во времени и пространстве характер распределения и динамики напряжений в приконтурном массиве; пространственная и временная изменчивость состава и температуры воздушной и водной среды в области обнажений.
Оценка информативных параметров эхо-метода при контроле нарушенности геоматериалов по уровню структурных шумов
Изложенные выше в п.п. 2.1-2.3 теоретические предпосылки позволяют предложить следующую методику оценки нарушенности образцов геоматериалов по уровню структурных шумов ультразвуковой эхо-локации. 1. Характеристика объекта исследований. Оценка степени нарушенности геоматериала осуществляется на кернах, кубиках или плитах, имеющих две плоские параллельные поверхности, расстояние между которыми d составляет от 30 до 50 мм. Для оценки степени выветривания приконтурного массива керны или изготовленные из них образцы отбираются в направлении, перпендикулярном плоскости обнажения. При этом эхо-локация осуществляется с поверхности образца, обращенной в сторону обнажения. Это же относится к плитам облицовочного камня. 2. Аппаратурное обеспечение контроля степени нарушенности образцов геоматериалов может осуществляться как серийно выпускаемой, так и специально разработанной аппаратурой, рабочая частота и пьезоэлектрические преобразователи которой удовлетворяют требованиям, изложенным ниже (п.З и 4), а чувствительность обеспечивает уверенное получение эхо-сигнала при максимально возможной толщине образца. 3. Выбираются оптимальные параметры контроля. Для этого используется априорная информация об объекте контроля или при отсутствии таковой результаты специальных измерений. Указанная информация включает размер d образца (между двумя плоскими поверхностями) и скорость распространения продольных упругих волн с, в нем. Оптимальное значение радиуса рабочей поверхности ПЭП типа "продольный вибратор" выбирается исходя из соотношения (2.16): а = 0,075-0, W. Оптимальное значение рабочей частоты / определяется исходя из заданного (соответствующего границе диаграммы направленности) параметра по формуле (2.18). Оптимальное значение эффективной длительности излучаемого импульса ги, как это было показано в п.2.1, должно быть по крайней мере в 3-4 раза меньше времени tK = d/c, распространения импульса до границы образца и при этом на рабочей частоте должно выполняться соотношение Л, « d. 4. В случае отсутствия серийных ПЭП с оптимальными значениями па раметров а, / и тн, такие ПЭП должны быть изготовлены. При этом тол щина пьезопластины определяется формулой А = спД2/р), где сп - скорость в пьезокерамике в направлении, ортогональном плоскости пьезопластины. Толщина демпфера из свинца с учетом (2.34) определяется по формуле 3,5—cd, где сй =2160 - скорость распространения продольных упругих с\ волн в демпфере. 5. По формуле электроакустического тракта (2.32) строится зависимость (Д/Дтах) от значения сопротивления гк (вида рис. 2.8) для определения его оптимальной величины (соответствует значению 1 зависимости). 6. Строится серия кривых SPC!p{d)/SPnp(z) по формуле (2.8) для различных значений z0/d (вида рис. 2.10-2.12). Для повышения достоверности результатов целесообразно использовать уточненное значение скорости с,, определяемое непосредственно для контролируемого объекта. 7. По формулам (2.8), (2.20) строится серия зависимостей SP ISP fylSd) для различных z0/d (вида рис. 2.13-2.15). 8. Измеряются значения уровня донного сигнала и сигналов структур ных шумов для различных глубин z (не менее 5-ти точек), рассчитываются величины отношений SPCTp(d)ISPCTp{z), наносимые в виде эксперименталь ной зависимости на теоретические кривые. По положению этой зависимости с использованием интерполяции оценивается значение параметра z0/d. 9. Определяется экспериментальное значение 5PmJSP (0,25d), кото рое откладывается по оси ординат на соответствующем теоретическом гра фике, проводится прямая, параллельная оси абсцисс до пересечения с кривой с определенным значением z0/d. По оси абсцисс определяется параметр Л, для рабочей длины волны Л,. 10. Определяется значение д , при сравнении которого с эксперимен тально выбранными уровнями контроля делается заключение об уровне на рушенное контролируемого образца геоматериала. Описанная выше методика является фактически безэталонной, что является несомненным ее достоинством. В то же время очевидна определенная сложность ее реализации. При наличии соответствующих эталонов (т.е. образцов с известной нарушенностью и размерами, аналогичными контролируемым образцам) методика контроля по уровню структурных шумов существенно упрощается и сводится к сравнению указанного уровня в объекте исследования и эталоне. 2.5. Обоснование способа ультразвукового контроля нарушенности плит облицовочного камня на основе комплексирования эхо-локации и поверхностного прозвучиванйя с использованием волн Рэлея
В основе рассматриваемого ниже способа лежит одновременная дифференциальная оценка состояния объекта контроля как в его объеме, так и на поверхности. При этом эхо-локация обеспечивает получение информации о времени распространения /, и преобладающей частоте f" продольной волны, дважды прошедшей плиту в направлении ее толщины d. Кроме того, эхо-локация позволяет определить саму эту толщину, а следовательно, с учетом полученного значения г,, и среднюю скорость распространения продольных упругих волн в объеме плиты с,. В то же время измеряемые параметры поверхностных волн Рэлея (их скорость распространения cR и преобладающая частота / ) характеризуют акустические свойства только приповерхно- стного слоя плиты толщиной 1,5Л (где А -длина волны Рэлея).
Суть УЗ измерений в режиме эхо-локации иллюстрируется схемой, представленной на рис. 2.16. Эти измерения реализуются в двух вариантах. В первом из них используется совмещенный ПЭП 1, осуществляющий излучение и прием импульсного сигнала через акустическую линию задержки 2. При этом подключенный к ПЭП 1 УЗ прибор обеспечивает измерение времени /, распространения УЗ сигнала, дважды прошедшего через линию задержки (поскольку этот сигнал отражается от верхней границы плиты), а также времени /2, за которое сигнал дважды пройдет через линию задержки и дважды через контролируемую плиту (поскольку этот сигнал отражается от нижней границы плиты). Величина Аг = /2-Г, будет представлять собой время, за которое УЗ сигнал дважды пройдет через контролируемую плиту.
Использование структурных шумов, возникающих при ультразвуковой эхоскопии геоматериала для определения границ слоев с существенно различной нарушенностью
Теоретические и экспериментальные исследования, результаты которых представлены в [71-72] свидетельствуют, что показатель FR может характеризовать степень поврежденности породы. Так в случае FR= 1,0 имеет место идеальный эффект памяти о напряжениях, испытанных в I цикле. В соответствии с современными представлениями о механизмах трещинообразо-вания и свойстве памяти горных пород равенство FR=1,0 означает, что трещины в первом цикле при напряжении а росли устойчиво, и имело место однозначное соответствие между достигнутым уровнем напряжения и длинами трещин. У скальных пород FR=1,0 до тех пор пока максимальное напряжение в первом цикле а лежит в упругой области. По мере приближения «т к пределу прочности породы на сжатие значение FR снижается. Это происходит прежде всего вследствие взаимодействия трещин и, кроме того, вследствие подвижек берегов макротрещин, приводящих к появлению эмиссионных шумов от трения, маскирующих эффект Кайзера. Интенсивность уменьшения показателя FR по мере приближения к пределу прочности характеризуется величиной \dFRId j mA.
Характер и интенсивность снижения показателя FR при приближении «запомненного» напряжения к разрушающему у разных пород различны. Так согласно экспериментальным данным, обобщенным в [72], значение FR=0,55 достигается у гнейса Болмен при 0 =0,70- , у мрамора Бъерка - при "1х=0584о-сж, у гнейса Мальмбергет - при 0 =1,00 . У иных пород при іш сж FR«0,4. Несмотря на специфику зависимостей FR = f(aImax) и FR = f(a mta 1сгсж) для различных геоматериалов, их общий вид будет одинаков (см. рис. 4.2.).
В то же время необходимо отметить, что представленная на рис. 4.2. обобщенная зависимость справедлива только для скальных пород с хрупким характером разрушения. Как показано в [73] для пластичных пород FR«1,0 даже в запредельной области деформирования.
Отмеченный выше эффект уменьшения показателя FR по мере приближения сг к пределу прочности более широко можно трактовать как эффект уменьшения указанного показателя при увеличении поврежденности геоматериала, который связан с прогрессирующими процессами взаимодействия трещин, их остановки, слияния и взаимного стопорения [74-76]. Эти процессы приводят к нарушению однозначного соответствия между длинами трещин и достигнутым уровнем напряжения, в результате чего АЭ при повторном нагружении начинается раньше, чем достигается максимальный уровень поврежденности первого цикла. Эффект памяти, следовательно, сдвигается в область меньших напряжений, т.е. FR становится меньше единицы.
Отмеченное выше позволяет ожидать, что степень поврежденности скальных горных пород, вызванной выветриванием (или каким-либо другим техногенным воздействием, например, взрывным) должна быть взаимосвязана с показателем сохранности памяти FR. Проверка указанной взаимосвязи являлась целью экспериментальных исследований, результаты которых представлены ниже.
Эксперименты проводились на образцах доломитизированного известняка Новосельского месторождения, имевших вид прямоугольных параллелепипедов с размерами 2x2x5см. Все образцы, число которых равнялось 25-и, были вырезаны из одного блока, взятого вне зоны влияния выветривания, и ориентированы в одном направлении. Сам исходный геоматериал, подвергнутый испытаниям, имел следующие усредненные характеристики: объем-ный вес - 2470 кг/м ; предел прочности при сжатии - 64,8 МПа; водопогло-щение - 0,39%; пористость - 1,97%; морозостойкость 25 циклов; истирае-мость - 2,7 мг/см ; скорость распространения продольных волн - 4650м/с; скорость распространения поперечных волн - 2900м/с. Все образцы не имели видимых нарушений сплошности и каких-либо неоднородностей. Кроме того их предварительная дефектоскопия теневым время-импульсным методом не выявила в образцах каких-либо значимых скрытых дефектов.
Все образцы были разделены на шесть групп. В первую группу (контрольную) вошли образцы (№№А1-А5), которые не подвергались какому-либо воздействию, моделировавшему процесс выветривания. Образцы остальных четырех групп с номерами Б1-Б5,В1-В5,Г1-Г5 и Д1-Д5 подвергались различному числу циклов разрушающего комбинированного воздействия. Каждый из этих циклов включал: замачивание в водном растворе с ph=5 на 24 часа при температуре Ti=20C, последующее замораживание в морозильной камере с температурой Тг=-20 С в течение 24 часов и последующее оттаивание и высушивание образца в термокамере при Т3=40С в течение 24 часов. Число циклов указанных воздействий для образцов Б, В, Г и Д составило, соответственно: 10,20,30,40. Образцы всех пяти групп с номером 5 были оставлены для последующих испытаний на проявление акустоэмиссионного эффекта памяти при двухцикловом механическом нагружении с возрастающей от цикла к циклу нагрузкой. Двадцать образцов всех пяти групп с номерами от 1 до 4 подвергали многоцикловому одноосному нагружению вдоль их высоты с возрастающей от цикла к циклу амплитудой напряжения. Максимальное напряжение первого цикла составляло величину, примерно равную 0,3 от среднего для данного геоматериала значения асж «64,8 МПа, т.е. а пп «22,0 МПа. В каждом последующем цикле напряжение увеличивалось на величину примерно равную 0,06сгСЛ(. «4,0 МПа. Таким образом максимальные значения напряжений в последующих циклах нагружения составляли: 0- =26,0 МПа; ст!=30,0 МПа; xl=34,0 МПа; о"1=38,0 МПа; и т.д. вплоть до момента когда величина FR падала до уровня, примерно равного 0,5. Установка, на которой осуществлялись испытания подробно описана в [77-78]. Ее компьютеризованная измерительная часть позволяла автоматически измерять и регистрировать параллельно нагрузку пресса и активность АЭ деформируемого образца, а также рассчитывать и строить зависимости «суммарная активность (Ns) - напряжение (сг)». По указанным зависимостям вычислялись значения FR для каждого из п циклов нагружения, начиная со второго по формуле.
Результаты экспериментальных исследований по установлению взаимосвязи между степенью выветривания доломитизированного известняка и показателем сохранности памяти в нем
Как отмечалось в п. 1.4 единственный применяемый сегодня акустический показатель степени выветривания (индекс сохранности Jc) представляет собой отношение скоростей распространения продольных упругих волн ультразвукового диапазона частот в исследуемой породе Ср и эталонной Срэ (т.е. условно не подверженной выветриванию)[45]. Практическое использование этого показателя имеет свои достоинства и недостатки. К первым относится высокий уровень аппаратурного и методического обеспечения измерения величин Ср и Срэ, ко вторым - относительно низкая их информативность по отношению к структурным нарушениям на микроуровне. В связи с этим в рамках настоящего параграфа предпринята попытка оценить возможность исследования степени выветривания горных пород на образцах с использованием в качестве информативных не кинематических, а динамических характеристик УЗ сигнала, в частности характеристик затухания сдвиговых колебаний.
Моделирование процесса выветривания осуществлялось на образцах карбонатных пород. При этом последние подвергались предварительному на-гружению на прессе до максимальных величин напряжений, соответствующих примерно 50% от сг , а затем воздействию кислых растворов (рН=2-3), содержащих сульфаты Na и Са с изменением минерализации от 1,5 до 3 г/л. Таким образом, имитировались практически все факторы выветривания, которые реально проявляются на месторождении.
Прочностным испытаниям каждого образца предшествовала экспериментальная оценка степени его выветривания по изменению скоростей распространения упругих волн и характеристик их затухания.
На рис.4.10 представлены, в качестве примера, характерные нормированные графики, построенные по результатам одного из экспериментов. На каждую временную точку графика приходилось по 6 относительно однородных образцов, результаты испытаний которых усреднялись.
Как видно из рис. 4.10 для данного конкретного эксперимента с увеличением длительности воздействия факторов выветривания тсж монотонно уменьшается и через 40 суток составляет всего 32 % от исходного значения. Также монотонно уменьшаются скорости распространения продольных Ср и поперечных Cs волн. При этом снижение Ср и Cs через 40 суток составляет соответственно 14 % и 25 %. Особенно низкая информативность Ср наблюдается на начальных стадиях выветривания. Так уровень изменения Ср через 15 суток составляет 1,5 %, что соизмеримо с погрешностью измерений. На начальных стадиях выветривания сказанное полностью относится и к скорости Cs, поскольку последняя измеряется с несколько меньшей точностью, чем Ср.
В целом приведенные данные характерны и для других экспериментов, проводимых при несколько иных, но находящихся в указанных выше рамках режимах внешнего воздействия. Снижение прочности происходило в пределах 2,5-5 раз. Примерно в 4 % случаев через 30-40 суток воздействия образцы полностью дезинтегрировались. Снижение же скорости Ср как правило не превышало 18 %, что соответствует 5 категории сохранности. Таким образом приведенные данные говорят не только о недостаточной информативности Ср при оценке выветривания, но и о низкой надежности показателя Jc при исследованиях на образцах.
В связи с этим в рамках проводимых исследований была предпринята попытка проследить различные стадии выветривания по изменению амплитуды сдвиговой волны. Для этого был использован метод акустополяримет-рии [53], позволяющий определить наличие в материале эффекта анизотропии поглощения линейно-поляризованной сдвиговой волны, упругую анизотропию, ориентацию элементов упругой анизотропии. При прохождении линейно-поляризованной волны через изотропный образец будет наблюдаться максимум амплитуды принятых колебаний при совпадении осей поляризации излучателя и приемника. Независимо от угла поворота образца относительно системы излучатель-приемник будет регистрироваться одна и та же амплитуда огибающей. В случае анизотропии свойств анализируемой среды максимум амплитуды поляризованных колебаний будет наблюдаться при совпадении вектора поляризации с направлением минимального затухания. Минимальное значение амплитуды, напротив, в направлении максимального затухания. Степень проявления анизотропии затухания будет зависеть от акустического контраста структурных элементов. В зависимости от характера анизотропии физико-механических свойств материала образца, структуры, текстуры, нарушенности может быть получена та или иная зависимость амплитуды огибающей сдвиговых колебаний от ориентации образца относительно осей поляризации излучателя и приемника.
При определенных начальных условиях (минеральный состав, текстура, структура, нарушенность, направление действующих напряжений) процесс выветривания горных пород может иметь направленный характер, что предопределит существование направлений с наихудшими условиями для распространения сдвиговой волны. Возможна также ситуация, когда анизотропный характер затухания будет проявляться только в развитии процесса выветривания (деструктивного процесса), когда акустическая контрастность усилится.
Аппаратурное и методическое обеспечение акустополяриметрических измерений осуществлялось в соответствии с рекомендациями работы [53]. При этом использовался акустополярископ с поворотной платформой и ультразвуковыми преобразователями сдвиговых упругих волн с частотой 600 кГц, а также ультразвуковой прибор УД2-12. Особенностью измерений с использованием акустополярископа является возможность поворота образца вокруг своей оси относительно неподвижных преобразователей. Благодаря этому, а также наличию двух карданных подвесов стаканов преобразователей, общей нагрузки на контактные поверхности преобразователей и образца через одну пружину, существенно уменьшается погрешность измерений. Для повышения точности измерения дублируются при обратном ходе платформы. Это позволяет проконтролировать действие пружины на толщину контактной среды во время измерений. Требуется некоторое время, в течение которого контактная среда образует равномерный слой в зазоре между преобразователем и образцом. Как правило, после 3-5 минут амплитуда сдвигового импульса на экране прибора перестает увеличиваться.
Измерения заключаются в повороте образца на угол 9 градусов относительно осей поляризации преобразователей с фиксированием в этих положениях амплитуды огибающей импульса сдвиговой волны As, проходящей через образец. После того как образец подвергнется принудительному выветриванию, измерения на акустополярископе повторяются. Таким образом, появляется возможность проследить во времени процесс, ведущий к потере прочности.
Обработка результатов измерений заключается в построении акустопо-ляриграмм по значениям амплитуд, выраженных в относительных единицах. За единицу при этом принимается максимальное значение амплитуды сдвиговой волны. В одних полярных координатах строятся акустополяриграммы образцов как подвергнутых процессу выветривания, так и из контрольной группы.
