О влиянии предварительного механического нагружения образцов горных пород на характер проявления в них термоакустической эмиссии

Проведено аналіз механізмів термоакустичної емісії (ТАЕ) в зразках Кібік–Кордонського мармуру. Досліджено особливості ТАЕ у зазначених зразках, зумовлені їх попереднім механічним навантаженням. Показано взаємозв'язок активності ТАЕ із стадіями деформації зразків і можливість використання цього...

Повний опис

Збережено в:
Бібліографічні деталі
Опубліковано в: :Наукові праці УкрНДМІ НАН України
Дата:2011
Автори: Шкуратник, В.Л., Новиков, Е.А.
Формат: Стаття
Мова:Російська
Опубліковано: Український науково-дослідницький і проектно-конструкторський інститут гірничої геології, геомеханіки і маркшейдерської справи НАН України 2011
Онлайн доступ:https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/99711
Теги: Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Цитувати:О влиянии предварительного механического нагружения образцов горных пород на характер проявления в них термоакустической эмиссии / В.Л. Шкуратник, Е.А. Новиков // Наукові праці УкрНДМІ НАН України. — 2011. — № 9, ч. 1. — С. 405-415. — Бібліогр.: 6 назв. — рос.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
_version_ 1860246026917511168
author Шкуратник, В.Л.
Новиков, Е.А.
author_facet Шкуратник, В.Л.
Новиков, Е.А.
citation_txt О влиянии предварительного механического нагружения образцов горных пород на характер проявления в них термоакустической эмиссии / В.Л. Шкуратник, Е.А. Новиков // Наукові праці УкрНДМІ НАН України. — 2011. — № 9, ч. 1. — С. 405-415. — Бібліогр.: 6 назв. — рос.
collection DSpace DC
container_title Наукові праці УкрНДМІ НАН України
description Проведено аналіз механізмів термоакустичної емісії (ТАЕ) в зразках Кібік–Кордонського мармуру. Досліджено особливості ТАЕ у зазначених зразках, зумовлені їх попереднім механічним навантаженням. Показано взаємозв'язок активності ТАЕ із стадіями деформації зразків і можливість використання цього взаємозв'язку для прогнозу передруйнування геоматеріалу. We have analyzed mechanisms of thermosonic emission in Kibik-Kordon marble samples. Features intrinsic to thermosonic emission in these samples dependent on their preliminary mechanical loading are studied. Relationship of thermosonic emission activity with stages of sample deformation and possibility of employing this relationship to predict prefailure of the geomaterial are shown.
first_indexed 2025-12-07T18:36:31Z
format Article
fulltext Наукові праці УкрНДМІ НАН України, № 9 (частина I), 2011 Transactions of UkrNDMI NAN Ukraine, № 9 (part I), 2011 405 УДК 622.831:542:34 О ВЛИЯНИИ ПРЕДВАРИТЕЛЬНОГО МЕХАНИЧЕСКОГО НАГРУЖЕНИЯ ОБРАЗЦОВ ГОРНЫХ ПОРОД НА ХАРАКТЕР ПРОЯВЛЕНИЯ В НИХ ТЕРМОАКУСТИЧЕСКОЙ ЭМИССИИ Шкуратник В. Л., Новиков Е. А. (ГОУ ВПО «Московский государственный горный университет», г. Москва) Проведено аналіз механізмів термоакустичної емісії (ТАЕ) в зразках Кібік–Кордонського мармуру. Досліджено особливості ТАЕ у зазначених зразках, зумовлені їх попереднім механічним на- вантаженням. Показано взаємозв'язок активності ТАЕ із стаді- ями деформації зразків і можливість використання цього взає- мозв'язку для прогнозу передруйнування геоматеріалу. We have analyzed mechanisms of thermosonic emission in Kibik-Kordon marble samples. Features intrinsic to thermosonic emission in these samples dependent on their preliminary mechanical loading are studied. Relationship of thermosonic emission activity with stages of sample deformation and possibility of employing this relationship to predict pre-failure of the geomaterial are shown. ВВЕДЕНИЕ Акустическая эмиссия (АЭ) ультразвукового диапазона ча- стот относится к наиболее перспективным инструментам изуче- ния процессов деформирования и разрушения горных пород [1]. Традиционные подходы к применению этого инструмента пред- полагают измерение параметров АЭ в процессе механического нагружения образцов, к размерам и форме которых предъявляют- ся довольно жесткие требования, что обусловливает высокую трудоемкость и относительно низкую надежность соответствую- Наукові праці УкрНДМІ НАН України, № 9 (частина I), 2011 Transactions of UkrNDMI NAN Ukraine, № 9 (part I), 2011 406 щих испытаний. В связи с этим в последнее время значительный интерес проявляется к использованию для решения задач физики прочности и разрушения геологических объектов, а также иден- тификации их генотипов, так называемой термоакустической эмиссии (ТАЭ) [2]. Последняя представляет собой сопровожда- ющую нагревание горных пород АЭ, исследования которой могут проводиться на образцах практически любой формы и любых размеров. При этом достаточно лишь, чтобы образцы имели хотя бы одну плоскую поверхность, контактирующую с кварцевым волноводом, через который осуществляется прием акустических сигналов. Проводимые ранее исследования в области ТАЭ были со- средоточены в основном на выявлении механизмов ее возникно- вения и особенностей проявления в функции от режимов нагре- вания [3]. Определенное внимание уделялось также изучение термоакустоэмиссионного эффекта памяти в геоматериалах [4]. В то же время остается все еще открытым вопрос о влиянии на ТАЭ предварительного механического нагружения образцов горных пород. При этом знание закономерностей такого влияния необхо- димо и для оценки помехоустойчивости термоэмиссионных ис- следований, и для использования последних в целях изучения предыстории механического нагружения геологических объектов. С учетом изложенного, в настоящей работе приведены и об- суждены результаты экспериментальных исследований взаимо- связи между уровнем одноосного механического напряжения, испытанного образцами горной породы, и температурной зави- симостью активности АЭ в этих образцах. При этом для адекват- ной интерпретации указанной зависимости предварительно про- веден анализ механизмов ТАЭ в образцах Кибик–Кордонского мрамора, являющегося объектом соответствующих исследова- ний. 1. Механизмы термоакустической эмиссии в образцах кибик-кордонского мрамора Причины возникновения АЭ при нагревании горных пород весьма разнообразны: термический градиент, обусловленный не- равномерным нагревом образца; различие упругих свойств и ко- эффициентов теплового расширения слагающих породу минера- Наукові праці УкрНДМІ НАН України, № 9 (частина I), 2011 Transactions of UkrNDMI NAN Ukraine, № 9 (part I), 2011 407 лов, а также фазовые переходы в них; испарение влаги и взрыв газово-жидких включений и др., приводящие к возникновению новых или росту и движению имеющихся дефектов [5]. Что касается Кибик-Кордонского мрамора, то для механиз- мов возникновения ТАЭ в нем характерен ряд особенностей. Первая из них связана с большим содержанием кальцита, для ко- торого характерна значительная анизотропия тепловых структур- ных напряжений. Причем эти напряжения имеют разные знаки во взаимно перпендикулярных направлениях, а их величина сопо- ставима с пределом прочности минерала. Кроме того, для указан- ного мрамора характерно аномально высокое (по сравнению с другими мраморами) содержание кварца, коэффициент теплового расширения которого также существенно зависит от направле- ния, хотя и имеет один и тот же знак. Нагревание Кибик-Кордонского мрамора сопровождается изменением его плотности, что было установлено эксперимен- тально и отображено на рис. 1. Рис. 1. Изменение плотности образцов в зависимости от температуры их нагрева Как следует из рис. 1, с увеличением температуры плот- ность сначала увеличивается, достигая своего максимума в диа- пазоне 375-450о С, после чего стремится к исходному уровню, правда не достигая его. Отметим так же, что именно в этом тем- пературном диапазоне наблюдается фазовый переход β -кварца в Наукові праці УкрНДМІ НАН України, № 9 (частина I), 2011 Transactions of UkrNDMI NAN Ukraine, № 9 (part I), 2011 408 α -кварц. Структурные изменения в рассматриваемом темпера- турном диапазоне подтверждаются данными микроскопии груп- пы шлифов, приведенных на рис. 2. а) б) в) г) Рис. 2. Изменение структуры поверхности образцов в зави- симости от температуры Т их нагрева: а – Т = 300о С, б – Т = 350о С, в – Т = 425о С, г – Т = 600о С При увеличении термонагрузки и, соответственно, росте плотности, а так же под воздействием возникающих отрицатель- ных тепловых структурных напряжений происходит выдавлива- ние на поверхность веществ, содержащихся в порах и иных неод- нородностях внутреннего строения образцов. Причем, если до некоторой температуры наблюдается увеличение количества темных включений на поверхности, то к концу нагрева образца (≈ 600о С) они практически не фиксируются. Методом пиролиз- Наукові праці УкрНДМІ НАН України, № 9 (частина I), 2011 Transactions of UkrNDMI NAN Ukraine, № 9 (part I), 2011 409 ной хроматографии был произведен анализ химического состава указанных включений, который показал, что они содержат не ме- нее 13 % углерода. Помимо этого в них был обнаружен водород - 0,3 % и азот - 0,1 %. Скорее всего вещество включений относится к битумам. Под воздействием температур порядка 200-250о С начинается процесс их размягчения, сопровождаемый некоторым увеличением объема. Этот процесс накладывается на процесс увеличения плотности мрамора при его нагреве. Таким образом, происходит выдавливание битумных включений на поверхность образцов. По мере удаления битума из внутренних структурных неоднородностей происходит его скопление в неровностях по- верхности. Далее, по мере достижения образцом температуры порядка 350-450о С, начинается процесс отвердевания и окисле- ния битумов, что достаточно четко видно из данных микроско- пии, представленных на рис. 3. При этом весь описанный выше процесс сопровождается значительным увеличением активности ТАЭ относительно некоего базового уровня наблюдаемого при воздействии температур до 200о С, когда имеющиеся в мраморе термонапряжения относительно малы и не оказывают значимого влияния на его состояние. 2. Методическое и аппаратурное обеспечение термоаку- стоэмиссионных измерений Лабораторная установка, на которой проводились экспери- менты, подробно описана в [6]. Она содержит нагревательную трубчатую печь типа Nabertherm RT 50/250/11 с контроллером типа P 320, которая позволяет производить нагрев образцов до 1100 Co с заданной скоростью. В нагреваемую трубу, ось которой ориентирована вертикально, помещается образец горной породы, к которому через волноводы из кварцевого стекла длиной 280 мм подсоединены преобразователи акустической эмиссии (АЭ). С торцов эта труба закрыта заглушками. Наукові праці УкрНДМІ НАН України, № 9 (частина I), 2011 Transactions of UkrNDMI NAN Ukraine, № 9 (part I), 2011 410 Рис. 3. Область скопления битумных включений разной сте- пени окисленности на поверхности образца, наблю- даемая при температуре его нагрева до 425о С Для измерения температуры внутри образца в него поме- щаются термопары. Для прижатия друг к другу преобразователей АЭ, волноводов и образца горной породы используется груз, устанавливаемый на верхнем преобразователе. Все параметры регистрируются с помощью акустоэмиссионной системы A-Line 32D (ООО «Интерюнис», г. Москва). Эта система принимает и усиливает сигналы АЭ в полосе 30-500 кГц, оцифровывает сигна- лы с частотой дискретизации 2 МГц и записывает сами сигналы, а также их параметры, на диск компьютера. Преобразователи температуры подключены к двум параметрическим каналам си- стемы, позволяющим вести запись показаний с частотой дискре- тизации 2 Гц. Для определения содержания углерода, водорода и азота во включениях, выступающих на поверхности образцов, использо- вался метод пиролизной хроматографии, реализуемый на прибо- ре производства фирмы «Carlo Erba». Отметим, что пробы бра- лись как в областях, характеризующихся высокой концентрацией включений, так и области практически их не содержащих. Срав- нение результатов хроматографического анализа различных групп проб позволило учесть и исключить вклад разложения мрамора в общий результат. Это, в свою очередь, обеспечило вы- сокую достоверность выявления концентрации веществ, содер- жащихся в исследуемых включениях. Наукові праці УкрНДМІ НАН України, № 9 (частина I), 2011 Transactions of UkrNDMI NAN Ukraine, № 9 (part I), 2011 411 Изучение поверхности образцов проводилось на оптической установке, состоящей из микроскопа OLYMPUS 51 BX, видеоси- стемы, блока регистрации и обработки данных. Испытаниям подвергались образцы мрамора размером 19×19×16 мм, для химического состава которых характерны сле- дующие показатели: CaO (52 - 55,1 %); MgO (0,30 - 1,50 %); SiO2 (0,41 - 4,57 %); Al2O3 (0,06 - 0,25 %); S (0,009 - 0,054 %); P (0,006 - 0,011 %); Fe2 O3 (0,012 - 0,119 %); прочие потери при прокалива- нии (41,17 - 43,75 %). Средние показатели свойств исследованных образцов при- ведены в таблице 1. Таблица 1 Средние показатели свойств исследованных образцов Удель- ный вес, г/см3 Пори- стость, % Водопо- глощение, % Истирае- мость, г/см3 Предел прочно- сти на сжатие, кгс/см2 Прочность на изгиб, кг/см2 2,72 0,37 0,1 0,86 1019 701 В процессе испытаний образцы мрамора предварительно подвергались дискретному, с шагом 10 МПа, одноосному меха- ническому сжатию с выдержкой приложенной нагрузки в течение 2 часов. Нагрузка варьировалась от 0 до 2500 кг (до ≈ 80 МПа). Далее образцы нагревались от комнатной температуры до 600о С со скоростью 2,5 град./мин., параллельно с термическим воздей- ствием производилась регистрация параметров акустической эмиссии, а также выборочно полной формы сигналов ТАЭ. 3. Результаты эксперимента Результат испытания одного из образцов, являющийся ха- рактерным для всей совокупности проведенных экспериментов, приведен на рис. 4. Анализ представленной на рис. 4 зависимости позволяет выде- лить область повышенных значений активности ТАЭ ΣN , в несколь- ко раз отличающихся от уровня активности ТАЭ в температурном диапазоне от 50 до 200о С, который был принят за фоновый. Наукові праці УкрНДМІ НАН України, № 9 (частина I), 2011 Transactions of UkrNDMI NAN Ukraine, № 9 (part I), 2011 412 Рис. 4. Зависимость активности термоакустической эмиссии в функции от температуры нагрева образца Кибик – Кордонского мрамора С целью систематизации результатов серии экспериментов (отличающихся уровнем предварительной механической нагруз- ки) была выбрана условная «информативная» область с темпера- турными границами 310 оС и 430 оС. Затем для указанной области был произведен расчет среднего значения активности ТАЭ * ΣN для каждого из испытанных образцов. Результаты указанных рас- четов были сведены в единый информационный блок, анализ ко- торого позволил выявить характер влияния предварительной нагрузки образцов на проявления ТАЭ в них. 4. Обсуждение результатов экспериментов. Результаты проведенных экспериментов отражены на рис. 5, где представлена зависимость средней активности ТАЭ * ΣN от уровня предварительного напряжения iσ , испытанного образцами. Соответствующая зависимость может быть условно разбита на 3 участка. Первый из них занимает диапазон от начала отсчета и до iσ ≈ 40 МПа, что соответствует области линейного деформирова- ния. В этой области вследствие механического нагружения гор- ной породы происходит закрытие существующих трещин и мик- ропор, что ведет к выдавливанию содержащихся в них включе- ний. Наукові праці УкрНДМІ НАН України, № 9 (частина I), 2011 Transactions of UkrNDMI NAN Ukraine, № 9 (part I), 2011 413 Рис. 5. Зависимость величины * ΣN в выбранном температур- ном интервале в функции от степени предваритель- ного одноосного механического нагружения образ- цов мрамора с напряжением iσ Как следствие, интенсифицируется процесс удаления этих включений при нагреве образцов ранее достижения ими темпера- тур «информативной» области (от 310 оС до 430 оС). В результате при увеличении iσ уменьшается количество включений участву- ющих в формировании уровня активности ТАЭ в указанном вы- ше информативном температурном диапазоне. Следующий участок зависимости )( i * σfN =Σ  имеет нижнюю и верхнюю границы, соответственно, iσ ≈ 40 МПа и iσ ≈ 70 МПа. Характерное для этого участка образование микротрещин сопро- вождается ростом * ΣN . При образовании новых внутриструктур- ных дефектов происходит перераспределение включений из за- крывающихся трещин и пор во вновь образующиеся, т.е. мигра- ция битумов к поверхности образцов вследствие предварительно- го механического воздействия становится менее массовой с уве- личением числа неоднородностей. Таким образом, интенсивное выступание включений на поверхности, с последующим их окис- лением, в большей мере обусловливается изменением плотности мрамора, максимальные значения которой соответствуют «ин- формативной» температурной области. Заключительный отрезок анализируемой зависимости, где 70i >σ МПа соответствует области предразрушения породы. Он Наукові праці УкрНДМІ НАН України, № 9 (частина I), 2011 Transactions of UkrNDMI NAN Ukraine, № 9 (part I), 2011 414 характеризуется значительным снижением её грузонесущей спо- собности и предваряет относительно скорое разрушение. Фикси- руемое при этом снижение уровня * ΣN обусловлено эффектом «затишья», неоднократно рассматривавшимся в иных работах и заключающимся в падении уровня АЭ непосредственно перед наступлением макроразрушения. Отметим, что указанные на зависимости )( i * σfN =Σ  «точки перегиба» приблизительны, что связано с определенным шагом прилагаемого к образцам одноосного механического нагружения. Так согласно экспериментальным данным, полученным в ходе традиционных механических испытаний, окончание области ли- нейного деформирования для мраморов рассматриваемого типа соответствует напряжению iσ ≈ 36 МПа, тогда как испытания по описанной выше методике дают значение, соответствующей гра- ницы, равное iσ ≈ 40 МПа. Однако, хотя значения точек перехо- дов из одной области напряженно-деформированного состояния в другую, полученные разными способами, несколько отличаются, все же их сходимость достаточно велика, особенно, если учесть индивидуальность каждой конкретной партии геоматериала. Выводы. 1. Термоакустоэмиссионные исследования образцов горных пород могут выступать в качестве эффективного инструмента изучения предыстории их механического нагружения и соответ- ствующих стадий деформирования. 2. На основе анализа поведения ТАЭ была выдвинута гипо- теза о содержании в белом Кибик–Кордонском мраморе ранее не диагностируемых микроскопических включений, наличие и идентификация которых как битумов подтверждено данными микроскопии и пиролизной хроматографии. Показано, что ука- занные включения обусловливают рост активности ТАЭ в темпе- ратурном диапазоне от 310о С до 430о С в зависимости от предва- рительного нагружения. 3. Важным направлением дальнейших исследований являет- ся накопление базы данных о специфике проявления ТАЭ в раз- личных генотипах геоматериалов после их предварительного нагружения механическим способом. Это может позволить уста- Наукові праці УкрНДМІ НАН України, № 9 (частина I), 2011 Transactions of UkrNDMI NAN Ukraine, № 9 (part I), 2011 415 новить закономерности изменения ТАЭ, связанные с переходом горных пород в новую стадию деформирования, а также исполь- зовать термоэмиссионные исследования для прогноза динамиче- ских явлений в массиве. Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (грант № 10-05-00141). СПИСОК ССЫЛОК 1. Лавров В.В., Шкуратник В.Л. Акустическая эмиссия при де- формировании и разрушении горных пород (обзор) // Акусти- ческий журнал, 2005, том 51, Приложение. – С. 6 – 18. 2. Вильямов С.В., Вознесенский А.С., Набатов В.В., Шкурат- ник В.Л. О закономерностях и механизмах термоакустиче- ской эмиссии гипсосодержащих горных пород // ФТПРПИ, 2009, № 6. – С. 20 – 28. 3. Винников В.А., Вознесенский А.С., Устинов К.Б., Шкуратник В.Л. Теоретические модели акустической эмиссии в горных породах при различных режимах их нагревания // ПМТФ, 2010, № 1. – С. 100 – 105. 4. Винников В.А., Шкуратник В.Л., О теоретической модели термоэмиссионного эффекта памяти в горных породах // ПМТФ, 2008, № 2. – С. 172 – 177. 5. Jones C., Keaney G., Meredith P.G., Murrell S.A.F. Acoustic emission and fluid permeability measurements on thermally cracked rocks // Phys. Chem. Earth. 1997. V. 22. № 1/2. P. 13 – 17. 6. Вознесенский А.С., Шкуратник В.Л., Вильямов С.В., Винни- ков В.А. Установка для акустоэмиссионных исследований горных пород при их нагревании // Горный информационно- аналитический бюллетень. – 2007. – № 12. – С. 143 – 150.
id nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-99711
institution Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
issn 1996-885X
language Russian
last_indexed 2025-12-07T18:36:31Z
publishDate 2011
publisher Український науково-дослідницький і проектно-конструкторський інститут гірничої геології, геомеханіки і маркшейдерської справи НАН України
record_format dspace
spelling Шкуратник, В.Л.
Новиков, Е.А.
2016-05-02T10:58:58Z
2016-05-02T10:58:58Z
2011
О влиянии предварительного механического нагружения образцов горных пород на характер проявления в них термоакустической эмиссии / В.Л. Шкуратник, Е.А. Новиков // Наукові праці УкрНДМІ НАН України. — 2011. — № 9, ч. 1. — С. 405-415. — Бібліогр.: 6 назв. — рос.
1996-885X
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/99711
622.831:542:34
Проведено аналіз механізмів термоакустичної емісії (ТАЕ) в зразках Кібік–Кордонського мармуру. Досліджено особливості ТАЕ у зазначених зразках, зумовлені їх попереднім механічним навантаженням. Показано взаємозв'язок активності ТАЕ із стадіями деформації зразків і можливість використання цього взаємозв'язку для прогнозу передруйнування геоматеріалу.
We have analyzed mechanisms of thermosonic emission in Kibik-Kordon marble samples. Features intrinsic to thermosonic emission in these samples dependent on their preliminary mechanical loading are studied. Relationship of thermosonic emission activity with stages of sample deformation and possibility of employing this relationship to predict prefailure of the geomaterial are shown.
Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (грант № 10-05-00141).
ru
Український науково-дослідницький і проектно-конструкторський інститут гірничої геології, геомеханіки і маркшейдерської справи НАН України
Наукові праці УкрНДМІ НАН України
О влиянии предварительного механического нагружения образцов горных пород на характер проявления в них термоакустической эмиссии
Article
published earlier
spellingShingle О влиянии предварительного механического нагружения образцов горных пород на характер проявления в них термоакустической эмиссии
Шкуратник, В.Л.
Новиков, Е.А.
title О влиянии предварительного механического нагружения образцов горных пород на характер проявления в них термоакустической эмиссии
title_full О влиянии предварительного механического нагружения образцов горных пород на характер проявления в них термоакустической эмиссии
title_fullStr О влиянии предварительного механического нагружения образцов горных пород на характер проявления в них термоакустической эмиссии
title_full_unstemmed О влиянии предварительного механического нагружения образцов горных пород на характер проявления в них термоакустической эмиссии
title_short О влиянии предварительного механического нагружения образцов горных пород на характер проявления в них термоакустической эмиссии
title_sort о влиянии предварительного механического нагружения образцов горных пород на характер проявления в них термоакустической эмиссии
url https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/99711
work_keys_str_mv AT škuratnikvl ovliâniipredvaritelʹnogomehaničeskogonagruženiâobrazcovgornyhporodnaharakterproâvleniâvnihtermoakustičeskoiémissii
AT novikovea ovliâniipredvaritelʹnogomehaničeskogonagruženiâobrazcovgornyhporodnaharakterproâvleniâvnihtermoakustičeskoiémissii