Экспериментальные исследования электромагнитного и акустического излучения при деформации образцов горных пород
Експериментально встановлений зв‘язок між електромагнітним і сейсмоакустичним випромінюванням при одноосному стисненні зразків гірських порід і отримані кореляційні залежності. Вивчені спектри ви- промінювання електромагнітної емісії. Приведені параметри апаратури і методика експерименту. The relati...
Saved in:
| Published in: | Физико-технические проблемы горного производства |
|---|---|
| Date: | 2006 |
| Main Authors: | , |
| Format: | Article |
| Language: | Russian |
| Published: |
Інститут фізики гірничих процесів НАН України
2006
|
| Subjects: | |
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/107637 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Cite this: | Экспериментальные исследования электромагнитного и акустического излучения при деформации образцов горных пород / А.И. Спожакин, О.В. Бакаев // Физико-технические проблемы горного производства: Сб. науч. тр. — 2006. — Вип. 9. — С. 71-81. — Бібліогр.: 3 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-107637 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
Спожакин, А.И. Бакаев, О.В. 2016-10-23T10:06:03Z 2016-10-23T10:06:03Z 2006 Экспериментальные исследования электромагнитного и акустического излучения при деформации образцов горных пород / А.И. Спожакин, О.В. Бакаев // Физико-технические проблемы горного производства: Сб. науч. тр. — 2006. — Вип. 9. — С. 71-81. — Бібліогр.: 3 назв. — рос. XXXX-0016 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/107637 622.838; 51.622; 831.3 Експериментально встановлений зв‘язок між електромагнітним і сейсмоакустичним випромінюванням при одноосному стисненні зразків гірських порід і отримані кореляційні залежності. Вивчені спектри ви- промінювання електромагнітної емісії. Приведені параметри апаратури і методика експерименту. The relation is established and correlation relationships are derived between electromagnetic and acoustic emissions arising during uniaxial compression of rocks specimens. Electromagnetic emission spectra are investigated. Instrumentation values and experimental techniques are presented. ru Інститут фізики гірничих процесів НАН України Физико-технические проблемы горного производства Физика угля и горных пород Экспериментальные исследования электромагнитного и акустического излучения при деформации образцов горных пород Experimental study of electromagnetic and acoustical emission during deformation of rocks specimens Article published earlier |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| title |
Экспериментальные исследования электромагнитного и акустического излучения при деформации образцов горных пород |
| spellingShingle |
Экспериментальные исследования электромагнитного и акустического излучения при деформации образцов горных пород Спожакин, А.И. Бакаев, О.В. Физика угля и горных пород |
| title_short |
Экспериментальные исследования электромагнитного и акустического излучения при деформации образцов горных пород |
| title_full |
Экспериментальные исследования электромагнитного и акустического излучения при деформации образцов горных пород |
| title_fullStr |
Экспериментальные исследования электромагнитного и акустического излучения при деформации образцов горных пород |
| title_full_unstemmed |
Экспериментальные исследования электромагнитного и акустического излучения при деформации образцов горных пород |
| title_sort |
экспериментальные исследования электромагнитного и акустического излучения при деформации образцов горных пород |
| author |
Спожакин, А.И. Бакаев, О.В. |
| author_facet |
Спожакин, А.И. Бакаев, О.В. |
| topic |
Физика угля и горных пород |
| topic_facet |
Физика угля и горных пород |
| publishDate |
2006 |
| language |
Russian |
| container_title |
Физико-технические проблемы горного производства |
| publisher |
Інститут фізики гірничих процесів НАН України |
| format |
Article |
| title_alt |
Experimental study of electromagnetic and acoustical emission during deformation of rocks specimens |
| description |
Експериментально встановлений зв‘язок між електромагнітним і сейсмоакустичним випромінюванням при одноосному стисненні зразків гірських порід і отримані кореляційні залежності. Вивчені спектри ви- промінювання електромагнітної емісії. Приведені параметри апаратури і методика експерименту.
The relation is established and correlation relationships are derived between electromagnetic and acoustic emissions arising during uniaxial compression of rocks specimens. Electromagnetic emission spectra are investigated. Instrumentation values and experimental techniques are presented.
|
| issn |
XXXX-0016 |
| url |
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/107637 |
| citation_txt |
Экспериментальные исследования электромагнитного и акустического излучения при деформации образцов горных пород / А.И. Спожакин, О.В. Бакаев // Физико-технические проблемы горного производства: Сб. науч. тр. — 2006. — Вип. 9. — С. 71-81. — Бібліогр.: 3 назв. — рос. |
| work_keys_str_mv |
AT spožakinai éksperimentalʹnyeissledovaniâélektromagnitnogoiakustičeskogoizlučeniâprideformaciiobrazcovgornyhporod AT bakaevov éksperimentalʹnyeissledovaniâélektromagnitnogoiakustičeskogoizlučeniâprideformaciiobrazcovgornyhporod AT spožakinai experimentalstudyofelectromagneticandacousticalemissionduringdeformationofrocksspecimens AT bakaevov experimentalstudyofelectromagneticandacousticalemissionduringdeformationofrocksspecimens |
| first_indexed |
2025-11-25T22:20:25Z |
| last_indexed |
2025-11-25T22:20:25Z |
| _version_ |
1850562973711466496 |
| fulltext |
Физика угля и горных пород
71
УДК 622.838; 51.622; 831.3
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ
ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО И АКУСТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
ПРИ ДЕФОРМАЦИИ ОБРАЗЦОВ ГОРНЫХ ПОРОД
к.т.н. Спожакин А.И. (ИФГП НАН Украины),
инж. Бакаев О.В. (ДГТУ)
Експериментально встановлений зв‘язок між електромагнітним і
сейсмоакустичним випромінюванням при одноосному стисненні зразків
гірських порід і отримані кореляційні залежності. Вивчені спектри ви-
промінювання електромагнітної емісії. Приведені параметри апаратури і
методика експерименту.
EXPERIMENTAL STUDY OF ELECTROMAGNETIC
AND ACOUSTICAL EMISSION DURING DEFORMATION
OF ROCKS SPECIMENS
Spozhakin A.I., Bakayev O.V.
The relation is established and correlation relationships are derived be-
tween electromagnetic and acoustic emissions arising during uniaxial compres-
sion of rocks specimens. Electromagnetic emission spectra are investigated. In-
strumentation values and experimental techniques are presented.
Известно, что рядом авторов [1–3] проводились исследования,
направленные на изучение связи между структурными перестройка-
ми в горном массиве и особенностями электромагнитного излучения
(ЭМИ) и сейсмоакустической эмиссии (АЭ) при этом.
Однако практически в большинстве библиографических источ-
ников не приводятся ни теоретические, ни экспериментальные ха-
рактеристики электромагнитных спектров.
В данной статье предпринята попытка изучить степень связи
ЭМИ и АЭ, возникающими при одноосном сжатии некоторых образ-
цов горных пород и получить спектры электромагнитного излучения.
Для этого была разработана и создана экспериментальная уста-
новка для исследования электромагнитного и акустического излуче-
ни, возникающего при деформации образцов горных пород, которая
приведена на рис. 1. и представляет собой четыре автономных кана-
ла со своими датчиками:
Физика угля и горных пород
72
Рис. 1. Схема установки для изучения и регистрации акустической эмиссии
и электромагнитного излучения при одноосном сжатии: 1 – Электронный
усилитель датчика давления; 2– Пресс; 3 –Манометр; 4 – Датчик давления;
5 – Сейсмоакустический датчик; 6 –Исследуемый образ; 7 – Дипольная
измерительная антенна; 8 – Индентор; 9,10 – Металлические экраны; 11 –
Фиксатор; 12 - Узкополосный приемник ЭМИ; 13 – Широкополосный уси-
литель ВЧ; 14 – Усилитель и формирователь сейсмоакустического сигнала.
• широкополосной канал регистрации ЭМИ;
• узкополосной канал регистрации ЭМИ;
• канал регистрации акустической эмиссии;
• канал регистрации напряжений в образце.
С целью уменьшения финансовых и трудовых затрат, а также
времени затраченного на исследования, нагружение проводилось по
методике, разработанной ВНИМИ для образцов горной породы про-
извольной формы, в том числе и неправильной, встречно и соосно
направленными сферическими инденторами.
Известно, что усилие в 70 кН (7 тс) способно производить раска-
лывание пород любой крепости при площади раскола до 15–18 см2,
поэтому в качестве исполнительной машины использовался гидрав-
лический пресс ПГЛ-5 вертикального сжатия. Через стальные сфе-
рические инденторы диаметром 15 ± 0,05 мм и твердостью HRC 60 –
65 пресс обеспечивал строго соосно приложение нагрузок к образцу.
Физика угля и горных пород
73
Датчики с предваритель-
ными устройствами обработки
информации и гидравлический
пресс, (рис. 2), помещены в
защитный двойной электро-
магнитный экран, который вы-
полнен из стального листа
толщиной 3 мм, ослабляющий
внешнее электромагнитное по-
ле более чем на 200 дБ в диапа-
зоне частот от 10 Гц до 100 МГц.
Размеры внутренней камеры
2000х2000х1700 мм.
Приборы регистрации и об-
работки сигналов установлены
за внешним экраном (рис. 3.)
Соединение датчиков и прибо-
ров регистрации осуществляется
через специальные коаксиаль-
ные вводы, согласованные на
нагрузку 50 Ом.
Рис. 3. Внешний вид установки
Рис. 2. Расположение гидравличе-
ского пресса и датчиков внутри
электромагнитной камеры
Физика угля и горных пород
74
Широкополосный канал регистрации ЭМИ состоит из широко-
полосной пеленгационной измерительной антенны, широкополосно-
го высокочастотного усилителя, формирователя. Блок синхрониза-
ции и линия задержки вынесены за пределы экрана.
Электрическая составляющая электромагнитного излучения пре-
образуется широкополосной измерительной антенной в электриче-
ский сигнал и усиливается высокочастотным усилителем типа УЗ-33
до напряжений достаточных для регистрации осциллограмм на двух
запоминающих осциллографах с разными длительностями разверток.
Предварительные исследования деформации горных пород показа-
ли, что возникающей акустической эмиссии предшествует электромаг-
нитная, поэтому запуск лучей обеих осциллографов осуществлялся
синхроимпульсами, которые формировались передним фронтом осцил-
ляции ЭМИ при помощи формирователя.
Синхроимпульсы нормированной амплитуды и длительности по-
ступали также на самописец Н-399-6, где и фиксировались как им-
пульсы широкополосного приемника.
Сигнал ЭМИ задерживался линией задержки относительно син-
хроимпульса, что позволило исследовать начало осцилляции ЭМИ
параллельно с акустическим сигналом.
При выборе типа антенны была взята конструкция, в основу ко-
торой положен тот факт, что у большинства электронных приборов
в диапазоне частот до 100 МГц, входное сопротивление имеет емко-
стной характер. Емкостной характер имеет и выходное сопротивле-
ние короткого электрического вибратора. Таким образом, входное
сопротивление антенного усилителя образует с выходным сопро-
тивлением короткого электрического вибратора частотно-независи-
мый емкостной делитель. В результате чего калибровочный коэф-
фициент антенны постоянен в широкой полосе частот.
Для увеличения емкости вибратора и, как следствие, увеличения
калибровочного коэффициента, связывающего величину измеряемо-
го электрического поля с напряжением на выходе антенны, исполь-
зуются короткие конические вибраторы. Регистрация ЭМИ в широ-
кополосном канале осуществлялась в полосе частот 0,05–30 МГц.
Структурная схема широкополосной антенны приведена на рис. 4.
Узкополосный канал регистрации ЭМИ состоит из той же ди-
польной измерительной антенны, что и у широкополосного канала и
перестраиваемого узкополосного приемника. Узкополосный прием-
ник, после предварительных испытаний, был настроен на резонанс-
Физика угля и горных пород
75
ную частоту 700 кГц. Сигнал с детектора поступал на формирова-
тель, который формировал импульсы нормированной амплитуды и
длительности, а с формирователя на самописец. Структурная схема
узкополосного приемника ЭМИ приведена на рис. 5.
1 2 3 4
Рис. 4. Структурная схема широкополосной антенны: 1 – Широкополосная
измерительная пеленгационная антенна; 2 – Полосовой фильтр; 3 – Усили-
тель высокой частоты; 4 – Согласующее устройство
1 2 4 5
3
6
Рис. 5. Структурная схема узкополосного приемника ПЭМИШ-6Р: 1 – Ши-
рокополосная измерительная пеленгационная антенна; 2 – Смеситель; 3 –
Гетеродин; 4 – ФНЧ; 5 – УНЧ; 6 – Нормализатор
Канал регистрации акустической эмиссии состоит из пьезодат-
чика, повторителя, усилителя, формирователя с нормализатором.
Сигнал акустической эмиссии с пьезодатчика, установленного в цен-
тре плиты шарового индентора поступает на истоковый повторитель и
далее на два устройства. Первое устройство представляет собой широко-
полосный усилитель, а второе формирователь с нормализатором.
Физика угля и горных пород
76
1 серия
3 серия
2 серия
а б в г
Рис. 6. Динамика регистрации акустической эмиссии и электромагнитного
излучения при деформации образца песчаника мелкозернистого (керн ∅ 62 мм):
а – импульсы узкополосного приемника ЭМИ, Fрез = 700 кГц, ∆F = 3 кГц; б –
импульсы широкополосного приемника ЭМИ, ∆F = 0,1–30 МГц; в – им-
пульсы акустической эмиссии; г – давление на шаровых инденторах, раз-
решение 240 кПа/мм. Скорость протяжки ленты самописца – 10 мм/с
Усиленный сигнал с выхода усилителя поступает на второй ка-
нал осциллографа, где синхронно с ЭМИ регистрируются на экране.
Для регистрации давления использовался электрический мано-
метр ДВ-200.
Физика угля и горных пород
77
Динамика регистрации акустической эмиссии и электромагнит-
ного излучения при деформации некоторых пород приведена на диа-
граммах самописца (рис. 6; рис. 13), а осциллограммы АЭ и ЭМИ
различных серий представлены на (рис. 7–12; рис. 14–19).
Осциллограммы акустической эмиссии и электромагнитного
излучения при деформации образца песчаника мелкозернистого.
Керн ∅ 62 мм. Первая серия импульсов.
Рис. 7. Осциллограмма электромагнитного излучения: длительность раз-
вертки – 0,5 мкс/дел; амплитуда – 25 мВ/дел
Рис. 8. Осциллограммы электромагнитного излучения и акустической эмиссии.
Канал ЭМИ: длительность развертки – 250 мкс/дел; амплитуда – 100 мВ/дел.
Канал АЭ: длительность развертки – 250 мкс/дел; амплитуда – 2 В/дел
Осциллограммы акустической эмиссии и электромагнитного
излучения при деформации образца песчаника мелкозернистого.
Керн ∅ 62 мм. Вторая серия импульсов.
Рис. 9. Осциллограмма электромагнитного излучения: длительность раз-
вертки – 0,5 мкс/дел; амплитуда – 25 мВ/дел.
Рис. 10. Осциллограммы электромагнитного излучения и акустической эмиссии.
Канал ЭМИ: длительность развертки – 250 мкс/дел; амплитуда – 100 мВ/дел.
Канал АЭ: длительность развертки – 250 мкс/дел; амплитуда – 2 В/дел
Физика угля и горных пород
78
Осциллограммы акустической эмиссии и электромагнитного
излучения при деформации образца песчаника мелкозернистого.
Керн ∅ 62 мм. Третья серия импульсов.
Рис. 11. Осциллограмма электромагнитного излучения: длительность раз-
вертки – 0,5 мкс/дел; амплитуда – 25 мВ/дел.
Рис. 12. Осциллограммы электромагнитного излучения и акустической эмиссии.
Канал ЭМИ: длительность развертки – 250 мкс/дел; амплитуда – 100 мВ/дел.
Канал АЭ: длительность развертки – 250 мкс/дел; амплитуда – 2 В/дел
Для того чтобы изучить диапазон частот, на которых излучает-
ся основная часть энергии при деформации горных пород, была
разработана программа обработки осциллограмм. Спектр частот
сигнала получили путем разложения графика осциллограммы в ряд
Фурье, воспользовавшись математическим пакетом MathCad.
Спектры для двух горных пород различных серий (гранит украин-
ский и песчаник мелкозернистый) представлены на рис. 18 и рис.
19, соответственно.
Таким образом проведенные исследования позволили установить
связь между АЭ и ЭМИ при структурных перестройках в исследуе-
мых образцах, а также изучить спектры излучения для различных
горных пород.
В результате исследований установлено, что:
– интенсивность АЭ и ЭМИ растет с ростом деформационных
нагрузок на горную породу;
– коэффициент корреляции между АЭ и ЭМИ для различных
горных пород находится в пределах 0,75–0,86;
– спектр излучения ЭМИ для различных горных пород находит-
ся в пределах 0,05–3,2 МГц.
Физика угля и горных пород
79
1 серия
3 серия
2 серия
Рис. 13. Динамика регистрации акустической эмиссии и электромагнитного
излучения при деформации образца гранита украинского (образец неправильной
формы): а – импульсы узкополосного приемника ЭМИ, Fрез = 1 МГц, ∆F = 3 кГц;
б – импульсы широкополосного приемника ЭМИ, ∆F = 0,1–30 МГц; в –
импульсы акустической эмиссии; г – давление на шаровых инденторах,
разрешение 240 кПа/мм. Скорость протяжки ленты самописца – 10 мм/с
Рис. 14. Осциллограмма электромагнитного излучения: длительность раз-
вертки – 5 мкс/дел; амплитуда – 100 мВ/дел.
Рис. 15. Осциллограммы электромагнитного излучения и акустической эмиссии.
Канал ЭМИ: длительность развертки – 250 мкс/дел; амплитуда – 100 мВ/дел.
Канал АЭ: длительность развертки – 250 мкс/дел; амплитуда – 2 В/дел
Физика угля и горных пород
80
Рис. 16. Осциллограмма электромагнитного излучения: длительность раз-
вертки – 5 мкс/дел; амплитуда – 100 мВ/дел.
Рис. 17. Осциллограммы электромагнитного излучения и акустической эмиссии.
Канал ЭМИ: длительность развертки – 250 мкс/дел; амплитуда – 100 мВ/дел.
Канал АЭ: длительность развертки – 250 мкс/дел; амплитуда – 2 В/дел
Рис. 18. Осциллограмма электромагнитного излучения: длительность раз-
вертки – 5 мкс/дел; амплитуда – 100 мВ/дел.
Рис. 19. Осциллограммы электромагнитного излучения и акустической эмиссии.
Канал ЭМИ: длительность развертки – 250 мкс/дел; амплитуда – 100 мВ/дел.
Канал АЭ: длительность развертки – 250 мкс/дел; амплитуда – 2 В/дел
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Спожакин А.И., Бакаев О.В. Определение напряженного состоя-
ния массива горной выработки \\ Фізико-технічні проблеми
гірнічного виробництва / Під загальною редакцією А.Д. Алексє-
єва.– Донецьк: Інститутгірничих процесів НАН України, 2005.–
С.179–185.
2. Акустическая эмиссия и электромагнитное излучение при одно-
осном сжатии. Гончаров А.И., Корявов В.П. и др.\\ ДАН СССР.-
1980.– Т.55, №4.– С.821–824.– Библ.:9.
Физика угля и горных пород
81
3. Яковицкая Г.Е. Электромагнитные сигналы пристатическом на-
гружении образцов горных пород \ М.В. Курленя, М.М. Пын-
зырь, Г.Е. Яковицкая \\ ФТПРПИ.– 2002.– №1.– С.22.
|