Введение к работе
Актуальность работы. Наличие надежной информации о свойствах и структурных особенностях горных пород является необходимым условием принятия эффективных технологических и технических решений на всех стадиях освоения месторождений полезных ископаемых, строительства и эксплуатации подземных сооружений. Одним из основных источников указанной информации по-прежнему остаются исследования на получаемых из керна образцах, осуществляемые с использованием комплекса ультразвуковых, электрических, магнитных, деформационных, оптических и других видов измерений. В последние годы в этот комплекс все чаще включают аку-стико-эмиссионные измерения, зарекомендовавшие себя как эффективный инструмент неразрушающего контроля структурно-неоднородных материалов в процессе их деформирования. Однако последнее предъявляет довольно жесткие требования как к размерам и форме исследуемых образцов, так и к подвергаемым механическому воздействию поверхностям, поскольку при их непараллельности и низком качестве обработки возникает интенсивная по-меховая составляющая акустической эмиссии (АЭ). Отмеченное обусловливает высокую трудоемкость и затратность традиционного метода АЭ при изучении геоматериалов и ограничивает его информативность. С другой стороны, известно, что возбуждение сигналов АЭ в твердом теле возможно не только при механическом, но и при термическом воздействии на него. Такое воздействие, приводящее к так называемой термостимулированной акустической эмиссии (ТАЭ), является не только неразрушающим, но и более технологичным, поскольку не предъявляет отмеченных выше жестких требований к исследуемым образцам. Достаточно лишь, чтобы они имели хотя бы одну относительно ровную поверхность, контактирующую с волноводом, через который осуществляется прием АЭ сигналов.
Для практической реализации потенциальных возможностей использования ТАЭ для исследования горных пород необходимо установить её закономерности в функции от параметров структуры и свойств последних и разработать основанные на этих закономерностях соответствующие способы геоконтроля. Кроме того, представляется важным с точки зрения перспектив развития метода термостимулированной акустической эмиссии установление закономерностей последней в зависимости от напряженно-деформированного состояния испытываемых образцов горных пород.
Отмеченное обусловливает актуальность темы настоящей диссертационной работы, исследования в рамках которой проводились при поддержке грантов Российского фонда фундаментальных исследований (РФФИ) (№№ 10-05-00141, 13-05-00168), а также частично ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы (Соглашение №14.В37.21.0655).
Цель диссертационной работы заключается в установлении закономерностей термостимулированной акустической эмиссии образцов горных пород различных генотипов и применении этих закономерностей для обоснования и разработки способов оценки параметров, характеризующих структурные особенности, а также свойства указанных образцов.
Идея работы состоит в использовании метода термостимулированной акустической эмиссии для качественной и количественной оценки параметров структуры и свойств горных пород на образцах.
Научные положения, выносимые на защиту:
-
Низкотемпературный, не превышающий 90 С нагрев локальной области образцов скальных горных пород, не изменяет их механических свойств, но в то же время создает сигналы термостимулированной акустической эмиссии, сравнение параметров которой на противоположных и лежащих на равных расстояниях от зоны нагрева поверхностях, обеспечивает выявление и оценку аномальной дефектности этих образцов, что позволяет реализовать цензурирование их достаточно большой выборки.
-
Между пределом прочности при одноосном сжатии образцов скальных горных пород, прошедших цензурирование, и усредненной в температурной области 30-ИЮ С активностью термостимулированной акустической эмиссии существует прямо пропорциональная корреляционная связь. Причем в диапазоне наиболее вероятных значений предела прочности горной породы эта связь практически линейна и характеризуется наибольшей чувствительностью.
3. Процесс окисления сопровождается ослаблением структурных
связей и ростом нарушенности каменных углей, что при термоударном
воздействии на них приводит к возникновению акустико-эмиссионного от
клика, величина активности которого позволяет производить качествен
ную оценку окиелейности.
4. В каждом из серии образцов каменной соли, находящихся под возрастающей от образца к образцу статической механической нагрузкой, генерируется акустическая эмиссия как при его нагревании, так и при остывании. Причём при одинаковой скорости последних, примерно равной 10 С/мин., полученная на серии образцов зависимость попарных отношений усреднённых значений активности акустической эмиссии в процессе остывания и нагрева в функции от приложенной механической нагрузки, содержит экстремальную область, начало которой соответствует пределу длительной прочности.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются:
удовлетворительной сходимостью результатов экспериментальных исследований структуры и свойств образцов горных пород различных генотипов, полученных методом ТАЭ, и используемыми на практике традиционными методами;
использованием при проведении экспериментов современных технических средств измерений, отличающихся высокими метрологическими характеристиками, а также применением для обработки получаемой информации современных средств вычислительной техники и специализированного программного обеспечения;
хорошей воспроизводимостью закономерностей термостимулирован-ной акустической эмиссии, установленных на представительном объеме экспериментальных данных, полученных при исследовании более 50 образцов горных пород каждого из исследованных генотипов.
Методы исследований:
экспериментальное изучение закономерностей стимулированной термическим воздействием акустической эмиссии в образцах горных пород различных генотипов;
компьютерная обработка, интерпретация и анализ полученной информации с использованием аппарата математической статистики на основе применения современного программного обеспечения;
обобщение и анализ литературных данных существующего состоянию рассматриваемой проблемы;
физическое и компьютерное (методом конечных элементов) моделирование.
Научная новизна работы заключается в следующем:
обоснована возможность использования метода ТАЭ для оценки дефектности образцов горных пород;
экспериментально установлена взаимосвязь между отношением активностей акустической эмиссии при остывании и нагреве образцов каменной соли и приложенной к ним механической нагрузки, позволяющая определить значения последней, соответствующие пределу длительной прочности и переходу в запредельную стадию деформирования;
показана взаимосвязь между вещественным составом горной породы и амплитудными оценками экстремумов её ТАЭ;
экспериментально получена количественная зависимость между лежащими в определенных пределах размерами контролируемых объектов и активностью возникающей в них ТАЭ, показано, что в этих пределах отсутствует влияние различий в размерах образцов одной и той же горной породы на характер её ТАЭ;
обоснован и разработан принцип оценки окисленности образцов каменного угля, основанный на анализе информативных параметров активности акустической эмиссии, стимулированной в них термоударом;
установлена качественная взаимосвязь между средним размером зерна горной породы и активностью возникающей в ней ТАЭ;
выявлена корреляционная зависимость между пределом прочности образцов скальных горных пород при одноосном сжатии и информативными параметрами акустической эмиссии, стимулированной в них низкотемпературным термическим воздействием.
Научное значение работы заключается в дальнейшем развитии акусти-ко-эмиссионных методов экспериментального определения механических свойств горных пород и оценки их поврежденности, а также установления влияния напряженно-деформированного состояния горных пород на характер проявления ТАЭ в них.
Практическое значение работы состоит в обосновании и разработке ТАЭ способов и методик: неразрушающего определения предела прочности при сжатии образцов скальных горных пород; выявления наличия и оценки местоположения трещиновидных дефектов в образцах этих горных пород и цензурирования их выборки относительно указанных дефектов; качественной оценки окисленности каменного угля на образцах. Выявленные закономерности термостиму-лированной акустической эмиссии горных пород позволяют в перспективе решать с их использованием задачи: определения предела длительной прочности в каменных солях и оценки нагрузки начала дилатансии в них; определения вещественного состава; оценки средних размеров зерна горных пород.
Реализация выводов и рекомендаций. На основе результатов проведенных автором исследований подготовлены «Методика определения предела прочности при одноосном сжатии скальных горных пород методом термости-мулированной акустической эмиссии» и «Методика оценки окисленности каменных углей методом термостимулированной акустической эмиссии», переданные в МГГУ, ИПКОН РАН, ГИ УрО РАН, ННЦ ГП - ИГД им. А.А. Ско-чинского, ИГД ДВО РАН, ГИ КНЦ РАН и другие организации.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на научных симпозиумах «Неделя горняка» (Москва, 2012, 2013), на XII, XIII и XIV Международных конференциях «Физико-химические и петрофизические исследования в науках о Земле» (Москва, 2011, 2012, 2013), на XIX и XX Всероссийских конференциях «Геодинамика и напряженное состояние недр Земли» (Новосибирск, 2011, 2013), на Научной конференции «Сессия Научного совета РАН по акустике и XXV сессия Российского акустического общества» (Москва, 2012), на III Международной научно - технической конференции «Горная геология, геомеханика и маркшейдерия» (Украина, Донецк, 2011). Отдельные положения работы были представлены на 7-м Горнопромышленном форуме «МАИНЕКС Россия 2011» (Москва, 2011) и на Международном форуме-конкурсе молодых ученых «Проблемы недропользования» (Санкт - Петербург, 2012), а также на I Международной выставке инноваций INVENTO - PRAGUE (Чешская Республика, Прага, 2013).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 20 научных работ, в том числе получено 3 патента РФ на изобретения.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения, изложенных на 141 странице, содержит 33 рисунка, 5 таблиц, список использованной литературы из 130 наименований.
