Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Аппаратно-программный лабораторный комплекс для решения задач физики разрушения горных пород

ВАК РФ 25.00.10, Геофизика, геофизические методы поисков полезных ископаемых

Автореферат диссертации по теме "Аппаратно-программный лабораторный комплекс для решения задач физики разрушения горных пород"

На правах рукописи

Патонин Андрей Викторович

АППАРАТНО-ПРОГРАММНЫЙ ЛАБОРАТОРНЫЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ ФИЗИКИ РАЗРУШЕНИЯ ГОРНЫХ ПОРОД

25.00.10 - Геофизика, геофизические методы поисков полезных ископаемых

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 2 НОЯ 2012

Борок 2012

005055769

Работа выполнена в Геофизической обсерватории "Борок" - филиале Федерального государственного бюджетного учреждения науки Институт физики Земли им. О.Ю.Шмидта Российской академии наук (ИФЗ РАН).

Научный руководитель: докт. физ.-мат. наук Пономарев Александр Вениаминович

Официальные оппоненты:

докт. (¡ни.-мат. наук Ава.чаюа Арбен Аванесович.

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Объединенный институт высоких температур Российской академии наук (ОИВТ РАН), главный научный сотрудник

докт. техн. наук, профессор Вознесенский Александр Сергеевич, Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Московский государственный горный университет, проф. кафедры Физико-технический контроль процессов горного производства

Ведущая организация:

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук, г. Санкт-Петербург.

Защита диссертации состоится «» декабря 2012 г. в на

заседании диссертационного совета Д.002.001.01 созданного при Федеральном

Г0СуД2рСТи611!ЮГ»? бЮд/нСТИОМ у'!р£/1\д£п»и! ыИуКЯ ИиСТпТ^'Т ф»{3»!!\»1 ЗСМЛ!! ЯМ.

О.Ю. Шмидта Российской академии наук по адресу: 123995, ГСП-5, Москва, Д.-242, ул. Большая Грузинская, д. 10, строение 1, ИФЗ РАН.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИФЗ РАН.

Автореферат разослан «/2- » ноября 2012 г.

Отзывы и замечания по автореферату в двух экземплярах, заверенные печатью, просьба высылать по указанному адресу на имя ученого секретаря диссертационного совета.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат физико-математических наук

/О.В.Пилипенко/

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность работы

Изучение процессов зарождения, формирования и развития горных ударов и землетрясений неразрывно связано с моделированием и изучением этих процессов в лабораторных условиях. Проблемы таких исследований во многом связаны с необходимостью использования сложной и дорогостоящей техники лабораторного моделирования. Кроме этого, при проведении эксперимента достаточно трудно создать условия, близкие к тем, которые наблюдаются в природе. Лабораторные исследования геоматериалов проводят как в условиях повышенного гидростатического давления, так и при избыточном осевом давлении. Создаваемое внешнее воздействие требует контроля со стороны исследователя и возможности изменения режимов деформирования и прикладываемых нагрузок. Детальная цифровая регистрация различных физических параметров необходима для дальнейшего анализа.

Для успешного проведения лабораторных экспериментов в условиях одноосной и трехосной деформации, изучения процессов, происходящих на всех стадиях деформации и разрушения геологического материала, ключевое значение имеет решение следующих задач:

1. Создание гибкой системы управления режимами испытания геоматериалов, позволяющей оперативно изменять ход эксперимента.

2. Создание регистрирующей аппаратуры для записи как медленно, так и быстро изменяющихся физических характеристик с привязкой всех измерений к единой высокоточной шкале времени.

3. Разработка алгоритмов и методов обработки полученной информации с созданием единой базы данных, дающей возможность быстро и удобно использовать как исходный материал, так и результаты постобработки.

Цель работы состоит в создании современного лабораторного исследовательского комплекса для проведения серий испытаний горных пород в условиях одноосного и трехосного сжатия, включающего в себя систему контроля и управления режимами испытаний, аппаратно-программный измерительный комплекс для регистрации физических параметров исследуемого материала и дальнейшей обработки исходных данных с последующим формированием единой структуры базы данных, удобной для анализа.

Для достижения поставленной цели автором решались следующие

задачи:

1. Разработка и создание системы управления прессом, способной реализовать широкий спектр программируемых режимов нагружения испытуемого материала в условиях контролируемой одноосной деформации.

2. Разработка и изготовление измерительной ячейки, совмещающей сеть акустических и тензометрически.х датчиков при размещении образцов в

камере высокого давления для проведения испытаний; в условиях трехосной деформации.

3. Разработка и создание станции регистрации скоростей распространения упругих волн в анизотропной среде.

4. Разработка и создание станции регистрации волновых форм сигналов акустической эмиссии, возникающих при разрушении материала.

5. Разработка и создание станции непрерывной регистрации потока акустической эмиссии.

6. Создание системы синхронизации, обеспечивающей высокую точность привязки данных всех регистрирующих станций к единой временной шкале.

7. Разработка алгоритма определения скоростей распространения упругих волн, расчета главных осей тензора скоростей в анизотропной среде.

8. Разработка алгоритма определения координат источников сигналов акустической эмиссии.

9. Разработка алгоритма выделения отдельного события из общего потока акустической эмиссии.

10.Создание единой базы данных, включающей в себя как первичные, так и обработанные данные результатов испытаний.

Научная новизна работы заключается в разработке и создании единой системы управления измерительным комплексом для проведения экспериментов по деформированию и разрушению геоматериалов, в совокупности с системой регистрации физических параметров в широком частотном диапазоне и средствами обработки данных в режиме on-line и offline. При этом, в частности, были предложены и реализованы оригинальные технические и методические решения, позволившие

- применить более широкий спектр режимов испытаний по сравнению с используемым на известном оборудовании при более высокой точности управления по осевой деформации;

- осуществлять непрерывную регистрации потока акустической эмиссии с высоким разрешением по времени без пропуска данных;

- создать пакет алгоритмов и программ, которые обеспечивают работоспособность всего комплекса, включая обработку полученной информации с выходом на формирование единой базы данных.

Практическая значимость результатов работы

Разработанный комплекс используется для проведения лабораторных испытаний геоматериалов в условиях одноосной и трехосной деформации. За период разработки и развития комплекса на нем было проведено более 200 успешных экспериментов различного направления, в том числе, для решения задач физики землетрясений и сейсмического режима. Эксперименты проводились группами российских и зарубежных исследователей.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Разработанная система управления прессом с соответствующим программным обеспечением.

2. Разработанная станция ультразвукового зондирования, совмещенная со станцией записи волновых форм сигналов АЭ.

3. Разработанная система непрерывной регистрации потока АЭ.

4. Разработанное программное обеспечение комплекса для проведения экспериментов, постобработки данных и формирования базы данных.

Апробация результатов работы.

Основные результаты настоящей работы, начиная с 1992 года, докладывались и обсуждались на ежегодных российских и международных конференциях, школах и семинарах: всероссийские и международные школы-семинары "Физические основы прогнозирования разрушения горных пород", 2005 ^010- ежегодные международные конференции "Физико-химические и петрофизические исследования в науках о Земле"; XXV Генеральная ассамблея Европейского геофизического союза (EGS); XXXI Генеральная ассамблея Европейской сейсмологической комиссии (ESC), 2008; Генеральная ассамблея 1ASPE1, 2009. Результаты публиковались в рецензируемых журналах и сборниках. Ряд созданных программных продуктов зарегистрирован в установленном порядке.

Публикации.

По теме диссертации опубликована 41 работа, из них 4 статьи в журналах, рекомендованных ВАК РФ для публикации материалов кандидатских диссертаций. На ряд программных продуктов автором получены 3 свидетельства о регистрации в Отраслевом фонде алгоритмов и программ.

Личный вклад автора.

Содержание диссертации и основные положения, выносимые на защиту, отражают персональный вклад автора в опубликованных работах.

1 Автором разработана, изготовлена и введена в эксплуатацию уникальная система контроля и управления прессом, реализующая большой перечень режимов нагружения испытуемых материалов при высокой точности (±0.1 мкм) поддержания заданной осевой деформации.

2 Автором разработана, изготовлена и введена в эксплуатацию 16-канапьная станция регистрации волновых форм сигналов акустической эмиссии, совмещенная с системой ультразвукового зондирования, позволяющая определять скорости распространения упругих волн по заданным трассам и координаты источников сигналов акустической эмиссии.

3 Автором разработана, изготовлена и введена в эксплуатацию станция непрерывной регистрации потока акустической эмиссии, дающая возможность выделять отдельные акустические события и с высокой

точностью определять их амплитудно - временные характеристики (разрешение по времени 25.6 мкс).

4. Автором отработана методика проведения испытаний, включающая предварительную подготовку образца, начальное тестирование системы, непосредственное проведение экспериментов с дальнейшей постобработкой результатов.

5. Автором отлажен алгоритм определения скоростей упругих волн по отдельным трассам зондирования и определения главных компонент тензора скоростей в анизотропной среде.

6: Автором реализован алгоритм определения координат источников сигналов акустической эмиссии, позволяющий за счет многостадийного приближения существенно повысить точность локации. Предложена методика выделения отдельного акустического события из общего потока акустической эмиссии. 7. При непосредственном активном участии автора с помощью разработанного исследовательского комплекса произведено более 200 геофизических экспериментов с применением различных режимов нагружения. Сформированы базы первичных и частично обработанных данных.

Благодарности

Автор глубоко признателен за оказанную помощь при обсуждении методик и алгоритмов, решении отдельных технических вопросов, подготовке и проведении ряда экспериментов, а также в анализе и интерпретации полученных результатов: чл,- корр. РАН, докт. физ.-мат.наук, профессору Г.А. Соболеву, докт. физ.-мат.наук A.B. Пономареву, докт. физ.-мат.наук В.И. Лыкову, докт. физ.-мат.наук A.A. Любушину, канд.физ.-мат.наук В.Б. Смирнову, канд.физ.-мат.наук В.А. Салтыкову, с.н.с. P.M. Насимову.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, списка литературы, насчитывающего 52 наименования и 4 приложений. Работа содержит 149 страниц, включая 55 рисунков и 2 таблицы.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении обоснована актуальность темы исследования, перечислены цели и задачи диссертационной работы, сформулированы положения, выносимые на защиту, раскрыта научная новизна и личный вклад автора, отмечена практическая значимость полученных результатов, дано краткое

описание диссертации по разделам, приведены данные о публикациях и об апробации работы.

В главе первой "Состояние лабораторных исследований но физике разрушения горных пород" дается краткий обзор проводимых лабораторных исследований, решаемых в таких исследованиях задач, применяемого прессового оборудования, регистрирующей аппаратуры, методов обработки и анализа результатов лабораторных экспериментов. В первом разделе главы 1 обсуждаются классификационные характеристики лабораторных испытательных прессов. Выделяются отличительные особенности механических и гидравлических прессов, возможности их применения для решения различного круга задач. Кратко описывается дополнительное оснащение прессов камерами высокого давления, тепловыми камерами и станциями создания порового давления. Делается заключение о предпочтительной конфигурации прессового лабораторного испытательного оборудования.

Раздел 1.2 посвящен обзору регистрирующей аппаратуры и экспериментальным методам исследования геодинамических процессов. Приводятся основные характеристики аналогово-цифровых преобразователей, применяемых для регистрации медленно- и быстро-меняющихся процессов. Описываются особенности конструкций применяемых ультразвуковых и тензометрических датчиков для регистрации нагрузок и деформаций, а также для измерения электрического сопротивления и электромагнитного излучения. Особое внимание уделяется использованию акустического метода. Этот метод в лабораторных исследованиях является наиболее информативным и широко применяется исследователями всего мира. Отмечаются недостатки систем регистрации волновых форм сигналов акустической эмиссии (АЭ), в частности, пропуски в регистрации данных, связанные с моментами перезаписи сигналов на жесткий диск компьютера, а также недостаточный динамический диапазон систем регистрации.

В разделе 1.3 обсуждаются основные решаемые задачи при проведении лабораторных исследований процессов разрушения геоматериалов. В конце раздела приводится список наиболее значимых направлений в области лабораторного моделирования.

Раздел 1.4 посвящен сравнительному анализу лабораторных исследовательских комплексов, созданных на базе пресса 1>ЮУА (Геофизическая обсерватория "Борок") и пресса МТ5 (исследовательский центр СеоРогБсИиг^геМгит Потсдам, Германия). Подробно описываются как сами испытательные машины, так и сопутствующее им гидравлическое оборудование. В таблице 1 приводятся основные механические характеристики обоих прессов.

Таблица 1.

Основные механические характеристики испытательных машин

Параметры INOVA 1000 MTS 4600

Предельная нагрузка, кН 1000 4600

Система управления аналоговый PID регулятор цифровой PID регулятор

Параметры управления 6 параметров, включая нагрузку и перемещение перемещение

Точность по нагрузке, кг ±2.5 ±250

Точность по перемещению, мкм ±0.1 ±10

Жесткость, кН/мм 380 790

Всестороннее/поровое давление, МПа 200/50 400/140

Размеры образца, мм 0=30, Н=60 0=50, Н=100

Как можно видеть из представленной таблицы, пресс 1МОУА имеет меньшую предельную нагрузку, однако по параметрам точности измерения осевой нагрузки и, особенно по точности удержания положения пуансонов, пресс ШОУА существенно превосходит пресс МТ5. Эти параметры наиболее важны при изучении тонких эффектов, связанных с микродеформациями образца. Для сравнения используемых датчиков и регистрирующей аппаратуры приводится таблица 2, в которой даются основные характеристики систем регистрации.

Таблица 2.

Датчики и измерительные системы

INOVA 1000 MTS 4600

Датчики осевой нагрузки - основной/в камере, шт. 1/2 1/1

Датчики осевой деформации -основной/в камере, шт. 3/0 1/1

Датчики радиальной деформации, шт. 2 1

Датчики всестороннего/ порового давления, шт. 1/1 1/2

Измерение проницаемости нет есть

Скорости распространения упругих волн 16 трасс 11 трасс

Скорости распространения сдвиговых волн Волновые формы

сигналов АЭ, шт./ частота оцифровки, МГц

Датчики и измерительные системы INOVA 1000

Скорость записи

волновых форм

Интегральная акустика

нет

16/5

до 100 событий/с, ограничено

операционной системой

2 канала с разрешением 96 и 25.6 мкс

IMTS 4600

трасса

10/10

возможна непрерывная запись, ограничено объемом памяти

нет

Из-за меньшего размера испытуемого образца на прессе 1ЫОУА отсутствуют датчики сдвиговых волн. При этом имеется существенно большее количество трасс зондирования и количество датчиков упругих волн, регистрирующих волновые формы сигналов АЭ. Это позволяет получать более точную картину распределения скоростей распространения упругих волн и осуществлять более точную локацию источников АЭ. В конце раздела даются рекомендации по предпочтительной конфигурации лабораторных исследовательских комплексов, оснащением их той или иной гидравлической и регистрирующей аппаратурой.

В качестве выводов делается заключение о том, что исследовательский комплекс, созданный на базе пресса 1МОУА, по своим функциональным возможностям соответствует современному уровню аппаратуры такого класса. По основным механическим параметрам он превосходит зарубежные аналоги. Кроме этого, имеется возможность добавления в общую измерительную цепь новых методов управления режимами нагружения для дальнейшей его модернизации.

Во второй главе "Электро-гидравлическая система и оборудование для трехосных испытаний" приводится описание механической составляющей исследовательского комплекса. Объясняется работа и взаимодействие отдельных узлов и механизмов.

В первом разделе второй главы описывается станция контроля и управления прессом. Приводится общая блок схема (рис.1.) всего исследовательского комплекса.

14 Всестороннее давление Рс 0-200 МПа

15 Маг истральное давление

16 Ана стойка кс регул и[ а п □ о

а □ □ а

готовая ггроля н ования

17 Кпмпькггер управления

18 С;

Верхняя станина пресса.

21 Датчик нагрузки

1оршень главно цилиндра

Главный цилиндр

Нижняя станина пресса

9 I {агрузка

Положение пуансонов

10 Интаральна

1 1 Скорости УЗ волн

1 2 Волновые формы АО

1 9 Тонюмстрнческая

станция ДТМ-16

20 у.,

:1ьтразвуко1 станция

Магистраль локальной вычислительной сети

Рис.1. Общая блок схема испытательного комплекса ИМОУА. 1 — испытуемый образец, 2- дополнительные датчики осевой нагрузки, 3- камера высокого давления, 4- нижняя камера главного цилиндра, 5- верхняя камера главного цилиндра, 6- толкатель главного цилиндра, 7- толкатель камеры высокого давления с компенсатором , 8-индуктивный датчик положения пуансонов пресса, 9- предварительные усилители датчиков осевой нагрузки и положения пуансонов пресса, 10- предварительный усилитель датчика

интегральной акустики, 11-предварительные усилители с коммутатором регистратора скоростей УЗ волн, 12- предварительные усилители регистратора волновых форм АЭ, 13- схемы регистратора осевой нагрузки и радиальной деформации, 14- насосная станция камеры всестороннего давления, 15-насосная станция магистрального давления пресса, 16- аналоговая система контроля пресса и управления работой сервовентилей, 17- компьютер управления и контроля пресса, 18- станция синхронизации и непрерывной записи потока акустической эмиссии, 19-тензометрическая станция АТМ-16, 20- ультразвуковая станция регистрации скоростей УЗ волн и волновых форм сигналов АЭ, 21-датчик осевой нагрузки пресса.

Принцип работы пресса основан на поддержании необходимого баланса давления между верхней (5) и нижней (4) камерами главного цилиндра. Сигнал с датчика положения (8) поступает на схему сравнения, расположенную в аналоговой стойке управления (16). Сюда же подается задающий сигнал с компьютера управления (17). Выработанный разностный сигнал, посредством сервовентилей, изменяет баланс давления в камерах главного цилиндра. Это приводит к смещению положения поршня пресса в нужную сторону до тех пор, пока сигнал с датчика положения не сравняется с задающим сигналом. Для обеспечения связи компьютера управления с прессом автором был разработана и изготовлена интерфейсная плата, посредством которой внутренние регистры аналоговой стойки управления пресса отображаются в память компьютера. Это дает возможность применить новую программу управления прессом. Данная программа была написана автором на языке программирования DELPHI с включением ассемблерных модулей. Программа позволила реализовать большое количество режимов управления прессом. В качестве основного режима выступает режим с постоянной скоростью деформации. В этом режиме смещение положения поршня пресса происходит дискретными шагами через равные интервалы времени. Благодаря четко отлаженному интерфейсу связи была достигнута величина минимального шага смещения равная 0.244 мкм, при точности удержания текущего положения +0.1 мкм. Скорость деформации образца (Г рассчитывается из соотношений

IV= \LL: AL=G/ 17~, где L- высота образца в мм, I/„- скорость изменения длины образца в мкм/с, G-шаг генератора в мкм. IT- интервал подгрузки в секундах. Помимо режима с постоянной скоростью деформации были реализованы режимы нагружения большими ступеньками (смещение на заданное количество минимальных шагов) и режим модулирующего силового воздействия двумя независимыми частотами. В качестве вида модулирующего воздействия были реализованы меандр и пилообразное. Имеется возможность приостановить деформацию (режим паузы) на заданное время и, не меняя вид нагружения, сменить знак деформации. Еще один режим - режим импульсного воздействия позволяет, через заданные интервалы времени, на короткое время сместить поршень

пресса на указанную величину и через 300 мс вернуться в исходное состояние. Особый режим нагружения - режим контроля потока акустической активности. Для реализации это режима в систему контроля введен канал непрерывной регистрации потока АЭ. В реальном времени осуществляется подсчет числа событий на секундном интервале. При работе в этом режиме программа управления изменяет скорость деформации таким образом, чтобы количество событий АЭ приближалось к заданному значению. Этот режим дает возможность медленно приближаться к пределу прочности образца и "мягко" формировать будущий разлом даже на хрупких материалах.

В разделе 2.2 описывается камера высокого давления с контейнером для размещения образца. Камера предназначена для проведения испытаний в условиях повышенного (до 150 МПа) обжимающего давления. Внутренние размеры камеры позволяют разместить в ней образец диаметром 30 и высотой 60 мм. Контейнер, разработанный и изготовленный автором, предназначен для установки в нем образца с системой тензометрических и акустических датчиков (рис.2).

Рис.2. Схема контейнера для размещения образца, совмещенная с датчиком осевой нагрузки. 1, 2- нижнее и верхнее основания. 3- датчики радиальной деформации, 4- ультразвуковые датчики, 5- датчик осевой нагрузки, 6- разъем электровводов.

При разработке контейнера ставилось несколько задач. Во-первых, он должен быть универсальным, предназначенным для использования как в условиях высокого всестороннего давления, так и при одноосных испытаниях. Во-вторых, необходимо было разместить максимально возможное количество измерительных датчиков. И, в-третьих, он должен быть удобным для монтажа образца. Для соединения датчиков с внешними измерительными системами

автором был доработана камера высокого давления. Были организованы герметичные вводы для 12 тензометрических и 20 акустических каналов.

В разделе 2.3 описана процедура подготовки и проведения эксперимента. Данная процедура отрабатывалась в течение нескольких лет с целью ее совершенствования и минимизации возможных потерь информации. Для подготовки образца в Геофизической обсерватории "Борок" был создан парк камнеобрабатывающих станков. Процесс начальной подготовки образца разбит на несколько этапов. Из целого куска заготовки, с помощью керноотборника вырезается цилиндрическая заготовка и обрезается на специальном двупильном станке с допусками на дальнейшую обработку. Затем в токарном станке алмазным резцом обрабатывается образующая поверхность до диаметра 30±0.1 мм. Последний этап - это шлифовка оснований образца, придание им необходимой чистоты и параллельности. Это делается на специализированном станке с двумя вращающимися алмазными шайбами, на котором достигается параллельность оснований образца с допуском < 0.05 мм.

Подготовленный образец упаковывается в маслозащитный жакет, фиксируется в контейнере и на нем монтируются измерительные датчики. Полностью подготовленный контейнер с образцом устанавливается в камеру высокого давления. Камера размешается на прессе, подключается к системам подачи всестороннего и порового давления и соединяется с измерительной аппаратурой. До начала основного испытания в камеру подается необходимое всестороннее давление. После успешного тестирования измерительных систем объявляется готовность к проведению эксперимента.

Запуск основной программы управления начинается с выбора режимов испытаний. После выбора необходимых параметров программа переходит в режим ожидания старта. В программе управления тензометрической станцией выбираются необходимые каналы регистрации и интервал измерений. Программа управления ультразвуковой станцией регистрации волновых форм сигналов АЭ и скоростей распространения упругих волн при своем запуске использует файл конфигурации параметров. При необходимости можно откорректировать все параметры, а именно: расстановку приемных и излучающих акустических датчиков, систему поправочных коэффициентов, интервалы зондирования, частоты опроса каналов и другие характеристики. Данная информация сохранится в файле конфигурации для дальнейшего использования. Старт эксперимента и всех измерительных систем начинается после запуска программы синхронизации. Это необходимо для того, чтобы синхроимпульсы программы управления и станций измерения находились внутри потока работы программы синхронизации и не имели пропусков. Ход процесса испытания выводится на мониторы. По окончании испытания файлы данных, сформированные различными станциями, собираются в единый архив и подвергаются дальнейшей обработке.

Основные выводы по этой главе заключаются в том, что система управления прессом переведена на контроль современными процессорами с

соответствующим программным обеспечением, позволяющим реализовать широкий спектр режимов испытаний. Пресс оснащен современной камерой высокого давления с ячейкой для размещения образца, включающей систему ультразвуковых и тензометрических датчиков. Отлажена методика подготовки и проведения испытаний.

В третьей главе "Датчики и регистрация данных" приводится описание всех измерительных систем, применяемых в комплексе.

В разделе 3.1 описана аппаратура для регистрации медленно изменяющихся параметров, таких как осевое, всестороннее и поровое давление, осевая и радиальная деформации. Для регистрации этих параметров применяются две независимые измерительные системы. Первая система собрана автором на базе тензометрической станции ATM-16 и для своей работы использует штатное программное обеспечение. В качестве измерительных датчиков применяются, разработанные и изготовленные автором, датчики. Тензометрические датчики осевой нагрузки интегрированы в камеру всестороннего сжатия. Датчики всестороннего и порового давления, изготовлены на основе трубок Бурдона. Уникальные датчики радиальной деформации интегрированы в контейнер для размещения образца. Основной регистратор медленно меняющихся процессов, собранный автором на базе АЦП НВЛ-08, производства фирмы НПО "Сигнал", интегрирован в компьютер управления прессом и осуществляет регистрацию показаний штатных датчиков пресса - датчиков осевой нагрузки и положения плит пресса. Программа опроса этих датчиков работает параллельно с основной программой управления прессом, куда и поступают результаты измерений. В отличие от датчиков осевой нагрузки, всестороннего и порового давления, положения плит пресса, работающих по стандартным схемам, датчики радиальной деформации имеют оригинальную конструкцию. Автором при разработке этих датчиков ставилась задача не локального (точечного) измерения вариаций радиальной деформации, как это осуществлено в стандартных схемах измерений, а получение интегральных характеристик этих параметров в целой зоне охвата поверхности образца. Датчики представляют собой кольцо, опоясывающее образец на определенной высоте. Тензометрическим методом измеряется изменения периметра образца. Система, состоящая из двух таких датчиков, размещенных в верхней и нижней частях образца, позволяет более точно и правильно оценивать как радиальное, так и объемное изменение материала.

В разделе 3.2 описывается разработанная и изготовленная автором уникальная система непрерывной регистрации потока акустической энергии. Принцип работы регистратора таков: акустический сигнал с пьезодатчика, установленного в нижнем основании контейнера для размещения образца, через малошумящие предварительные усилители поступает на вход высокочастотного АЦП. Сигнал оцифровывается с высокой частотой (превышающей резонансную частоту датчика), свертывается по формуле

Л , где}— номер свернутой точки, записываемой в бинарный файл,

I

п— количество точек свертки, амплитуда оцифрованной /—й точки, и

фиксируется на жестком диске. Такая свертка эквивалентна эффективной амплитуде сигнала на интервале осреднения. Данная сверка необходима для повышения быстродействия системы регистрации и исключения потерь информации. Для обеспечения работоспособности комплекса были разработаны и изготовлены два таких регистратора. Первый использует 12-ти разрядное АЦП Ь-783-86 фирмы ЬСагё, интегрированное в компьютер управления прессом. Частота оцифровки 1 МГц, накопление по 96 точкам. Программа сбора данных с этого регистратора представляет собой отдельный поток программы управления прессом. Цикл оцифровки одного блока информации, равный 10368 свернутым точкам (или 10368х96 мкс=995328 мкс) используется как базовый временной интервал для программы управления прессом. Это позволяет избежать не стабильных временных задержек, связанных с работой операционной системы.

Второй регистратор использует 4-х канальное, 14-ти разрядное АЦП Е20-10 той же фирмы ЬСагсГ Частота оцифровки 2.5 МГц на канал, накопление по 64 точкам. Первые три канала через малошумящие предварительные усилители с различными амплитудно-частотными характеристиками подключены к тому же акустическому датчику, что и первый регистратор. Четвертый канал используется для синхронизации данных, получаемых станцией управления прессом и всех регистрирующих систем.

В разделе 3.3 приводится описание разработанной и изготовленной автором системы регистрации волновых форм сигналов АЭ. В основе принципа ее работы лежит непрерывная оцифровка сигналов, поступающих с приемных датчиков, в большой кольцевой буфер. По принятии решения о приходе сигнала осуществляется оцифровка хвоста сигнала и буфер защелкивается. Тем самым оцифрованным оказывается весь сигнал, включая его предысторию. В качестве приемников сигналов АЭ автором были изготовлен блок, состоящий из 16 пьезодатчиков, являющийся частью контейнера для размещения образца. Датчики равномерно располагаются по поверхности образца. В качестве основного элемента выступает пьезокристалл диаметром 5 и толщиной 2 мм с резонансной частотой 390 кГц. Сигналы с датчиков, через предварительные малошумящие усилители поступают на вход многоканального быстродействующего АЦП, собранного на базе модуля АМВРСМ фирмы ^БУБ. Частота оцифровки 2.5 МГц на канал. Программа сбора, разработанная автором, осуществляет программирование модуля и сбор данных на жесткий диск. Скорость записи волновых форм на жесткий диск ограничена операционной системой и не превышает 100 соб/с.

Раздел 3.4 посвящен описанию разработанной и изготовленной автором станции ультразвукового зондирования (УЗ). Данная станция предназначена

для регистрации скоростей распространения упругих волн. Поскольку ограниченные размеры образцов не позволяют разместить на их поверхности достаточное количество специальных датчиков УЗ, то для работы станции ультразвукового зондирования используются те же пьезодатчики, которые используются станцией регистрации волновых форм. Для этого в систему регистрации введен коммутатор, который переключает часть приемных датчиков в режим излучения на время очередного сеанса зондирования. Сеанс зондирования состоит из серии акустических посылок через различные излучатели. Каждая посылка фиксируется определенными приемниками. Тем самым формируется сеть трасс, по которым и производится определение скоростей распространения упругих волн. Для подавляющего большинства экспериментов была выбрана симметричная схема расстановки трасс зондирования, равномерно охватывающая весь объем образца. Длительность одного сеанса зондирования занимает 1-2 с, затем все датчики переключаются в режим приема, и начинается сбор волновых форм сигналов АЭ. Программа управления станцией зондирования написана автором на языке DELPHI и является частью программы записи волновых форм сигналов АЭ. При инициализации программы выбираются параметры записи, расстановка трасс зондирования и интервалы зондирования. Каждая сессия зондирования записывается в отдельный файл в бинарном виде.

Раздел 3.5 посвящен разработанным, изготовленным и опробованным автором трехкомпонентным ультразвуковым датчикам. Датчики имеют оригинальную конструкцию и изготовлены на основе поляризованных пьезокерамических трубок, имеющих известную диаграмму направленности. Каждый датчик содержит три таких трубки, ориентированные во взаимно ортогональных плоскостях. Точки касания поверхности образца всех трех трубок образуют небольшую зону размером -1 мм2. Другой конец каждой трубки закреплен на общем каркасе, который фиксируется на поверхности образца. Поскольку длина одной трубки равна 15 мм, то общие габаритные размеры датчика, с учетом конструкции его крепления, оказались значительными. Тем не менее, данные датчики успешно регистрируют перемещения поверхности образца в различных направлениях. Автором было изготовлено 10 таких датчиков, с помощью которых были проведены пробные эксперименты по изучению поляризации волн и анизотропии образца в условиях одноосной деформации. Из-за значительных габаритов самих датчиков и низких частотных характеристик (до 30 кГц) они не нашли широкого применения в лабораторных исследованиях.

В заключение главы подчеркивается, что автором разработано и изготовлено несколько типов регистрирующих датчиков, часть из которых является уникальными. Датчики позволяют регистрировать механические и акустические характеристики, как при одноосной деформации, так и при повышенном (до 150 МПа) всестороннем давлении. Разработанная и

изготовленная автором регистрирующая аппаратура соответствует современному уровню развития измерительной техники.

В четвертой главе "Алгоритмы и методы анализа данных" описаны стандартные и разработанные автором, с учетом аппаратных возможностей, алгоритмы и методы обработки данных, процедура синхронизации данных и структура конечной базы данных. При разработке методов и алгоритмов обработки автором ставились следующие задачи:

1. Устранить пропуски в данных и убрать дефектные данные, возникающие при аппаратных сбоях в процессе работы систем регистрации.

2. Произвести сшивку регистрируемых всеми станциями данных по времени, с точностью, достаточной для дальнейшего анализа.

3. Сформировать единую синхронизированную базу, включающую в себя исходные и обработанные данные, готовые для дальнейшего анализа.

Раздел 4.1 посвящен обработке напряженно-деформационных характеристик. Программа обработки, написанная автором на языке DELPHI, считывает исходный файл inova.dat, созданный программой управления прессом. Этот файл содержит показания датчика осевой нагрузки и положения пуансонов пресса, значения уровня задающего генератора, интенсивность и энергию акустических событий. После построения исходных графиков программа накладывает на существующую временную шкалу результаты записи тензометрической станции ATM-16, содержащие показания дополнительных датчиков осевой нагрузки, датчиков всестороннего и порового давления и значения радиальной деформации образца. По этим данным рассчитывается объемная деформация. Все результаты выводятся в виде графиков и текстовых файлов.

В разделе 4.2 подробно описывается принцип работы и назначение одноканальной непрерывной регистрации потока акустической энергии и алгоритм выделения одиночного события. В системе, интегрированной в компьютер управления прессом. используется упрощенный алгоритм идентификации отдельного события. События выделяются пороговым методом. Величина порога задается программным путем и может корректироваться в ходе испытания. Вторая система, имеющая более высокое разрешение по времени и амплитуде, не обрабатывает данные в реальном времени. Вся обработка производится после окончания эксперимента. Программа обработки этих данных, написанная автором на языке DELPHI, осуществляет выделение и идентификацию отдельных событий. Основной критерий появления события -скорость нарастания переднего фронта, величина которого задается перед началом обработки. Затем производится анализ характера спада сигнала. Если характер спада близок к степенному, то сигнал считается гладким. При наличии на хвосте сигнала отдельных выбросов осуществляется их анализ. По результатам этого анализа делается вывод о наличии второго,

близкорасположенного сигнала, или же о наложении на спад сигнала волн, отраженных от боковой поверхности образца. Также различаются сдвоенные сигналы, имеющие близкую амплитуду и расположенные в непосредственной близости с перекрытием спада первого. По принятии решения о наличии сигнала оценивается его амплитуда, пиковая и общая энергия, время прихода сигнала и его характер. Время прихода дается с точностью до одной точки свертки, равной 25.6 мкс. Применяемый алгоритм выделения одиночного события позволяет идентифицировать до 10000 событий в секунду.

В разделе 4.3 описывается алгоритм определения скорости распространения упругих волн, которое осуществляется по результатам записи станции ультразвукового зондирования. Скорость распространения определяется по формуле У=Ь/(Т-Т0), где Ь- длина трассы, Т- время пробега, а Т0- поправочная константа, учитывающая аппаратные и методические задержки каждой трассы. Важным является правильность и точность определения момента прихода волны. Для этого автором были рассмотрены различные критерии определения момента вступления: по началу подвижки волнового фронта, по порогу, по первому и второму максимуму, по переходу через ноль после первого максимума. В результате было принято решение о выборе критерия по переходу через ноль после первого максимума. Данный критерий дает наиболее стабильные результаты с минимальной ошибкой в определении момента вступления. Тем самым достигается погрешность определения скорости распространения упругой волны в пределах 0.5%. Поправочные константы для каждой трассы вычисляются перед началом испытания по эталонному образцу, имеющему известную скорость распространения упругой волны.

Поскольку природный материал практически всегда обладает анизотропией, то для корректного решения последующей задачи локации сигналов АЭ необходимо знать ее характер. Для упрощения расчетов автором была выбрана эллипсовидная модель скоростей распространения упругой волны,

- (Кл-у (УуУ (VI) „ „ ,,

описываемая формулой -—+ , + -—— = 1, где Ух. 1С. I : - скорости по

а Ъ~ с

направлениям главных осей тензора скоростей, а. бис- полуоси эллипсоида в системе координат, совпадающей с направлениями его главных осей. Для перехода в систему координат образца необходимо решить задачу с 5 неизвестными - 3 скорости и 2 угла поворота. Изначально расстановка 16 трасс зондирования была выбрана таким образом, что в верхней и нижней частях образца происходит пересечение 6 независимых трасс. Это дает возможность использовать инструментальные измерения скоростей по этим трассам для расчета эллипсоидов соответственно для верхней и нижней частей образца. Программа расчетов, также написанная автором, для анализируемой сессии зондирования определяет моменты прихода упругой волны по каждой из трасс. Затем решает систему линейных уравнений, в зависимости от сходимости результата методом Гаусса или Жордана. Эти данные используются в другой

программе при решении задачи локации. Дополнительно программа, методом ядерных Гауссовых функций, строит распределения плотности поля скоростей для различных пространственно-временных срезов.

Работа программы и алгоритм определения координат источников сигналов АЭ описаны в разделе 4.4. В качестве исходных данных программа, также написанная автором, использует результаты записей волновых форм сигналов АЭ по каждому из датчиков. Поскольку большинство сигналов имеют достаточно слабую амплитуду, то для достоверного определения момента прихода сигнала на каждый из датчиков автор использовал многоэтапную обработку. Суть этой обработки сводится к тому, чтобы уменьшить влияние аппаратных и внешних помех, искажающих волновую форму, на точность определения момента вступления. Исходный сигнал подвергается фильтрации и сглаживанию, центрируется, вычисляются его шумовые характеристики. После этого определяется момент прихода упругой волны, ее амплитуда и знак вступления. Дополнительно вычисляются энергия и длительность всего цуга.

Для решения задачи локации необходимо иметь моменты вступления минимум по 4 датчикам. В программе обработки задача решается методом наименьших квадратов. Для повышения точности определения координат используется метод последовательных приближений с поэтапной выбраковкой датчиков, дающих максимальную ошибку вступления. Для ускорения процесса расчета весь объем образца делится на элементарные кубики, для которых вычисляется теоретическое время прихода сигнала на каждый датчик. При этом учитывается вектор скоростей распространения упругой волны для текущего момента времени. Рассчитывается среднеквадратичная ошибка. Выбирается элементарный кубик, имеющий минимальную ошибку. Выбраковывается датчик с максимальной погрешностью. Для дальнейших расчетов объем выбранного элементарного кубика разбивается на более мелкие части, для которых повторяется цикл вычислений. Такое дробление осуществляется до тех пор, пока не будет достигнута заданная точность определения координат.

После окончания вычислений формируется файл с системным временем записанного сигнала, моментами прихода на каждый из датчиков, координатами источника, амплитудой и энергией по каждому из датчиков. Пространственно-временные распределения источников сигналов АЭ выводятся на динамические картинки, совмещенные с графиками нагрузки и интенсивности сигналов АЭ. Определениям координат поддаются 10-15% записанных волновых форм. Наилучшую по точности картину дают сигналы, координаты которых были определены по 8-10 приемным датчикам. В этом случае на пространственно-временных распределениях четко просматриваются зоны локальных разрушений.

В разделе 4.5 описывается процедура синхронизации всех исходных данных. Данная проблема встает остро, поскольку при проведении эксперимента работают несколько независимых регистрирующих систем и

программа управления прессом. Автором была разработана и реализована оригинальная система синхронизации данных, позволяющая идентифицировать каждый записанных сигнал АЭ, сессию ультразвукового зондирования и команду управления прессом и привязать их к единой временной шкале с точностью 25.6 мкс. Для этого в интерфейс управления прессом, регистратор волновых форм сигналов АЭ и ультразвуковую станцию зондирования были добавлены схемы формирования синхроимпульсов. Станция управления прессом формирует синхросигнал в момент выдачи команды на смещение поршня пресса. Станция регистрации волновых форм сигналов АЭ формирует синхросигнал в момент защелкивания кольцевого буфера при появлении сигнала АЭ. Станция ультразвукового зондирования формирует синхросигнал в момент подачи импульса зондирования на каждую из трасс. Амплитуды синхросигналов от каждой из станций различны. Для исключения возможного наложения независимых синхропосылок, каждый сформированный синхросигнал двойной. При этом интервал между сдвоенными сигналами для каждой станции свой. Все синхропосылки фиксируются четвертым каналом станции непрерывной регистрации потока акустической энергии. Программа синхронизации, написанная автором на языке DELPHI, использует для своей работы исходные данные, формируемые программой управления прессом, программой записи волновых форм, программой ультразвукового зондирования и программой непрерывной регистрации потока акустической энергии. В качестве базовой шкалы времени используется время системы непрерывной регистрации, имеющее разрешение 25.6 мкс. Чувствительность этого регистратора много выше чувствительности станции регистрации волновых форм, поэтому на записях станции всегда присутствуют сигналы зондирования и волновые формы сигналов АЭ, прошедшие на запись. Программа находит сдвоенные синхропосылки и привязывает их к соответствующим сигналам зондирования, записанным волновым формам и командам управления прессом. По окончании процедуры синхронизации формируются уточненные файлы данных, в которых занесено единое время станции синхронизации.

В разделе 4.6 описывается процедура предварительной обработки, формирования базы данных и ее структура. Для обеспечения функционирования всего исследовательского комплекса автором были разработаны, отлажены и используются следующие программы: Project lUprLCard, Project lLCard-Write, Projectl_AE-UZ-Write предназначенные для управления прессом и станциями сбора информации; Project 1 View, Project I LCard-Read, Project l _AE-UZ-Read - предназначенные для обработки и формирования базы данных. Программа АТМ-16, предназначенная для регистрации данных с тензодатчиков, входила в состав тензостанции и не подвергалась модификации. Весь пакет программ разработан автором на языке программирования DELPHI. При формировании базы данных для каждого эксперимента отводится отдельная директория, в которую помещаются все исходные файлы, сформированные в процессе проведения

эксперимента. Программа Project! View обрабатывает напряженно-деформационные характеристики, используя файлы inova.dat и inova.tnz, сформированные программой управления прессом (Projectl_Upr_LCard) и программой обслуживания тензостанции АТМ-16. Программа Projectl_AE-UZ-Read делает обработку волновых форм сигналов акустической эмиссии и зондирующих импульсов. Производит расчеты скоростей, построение томографических срезов, эллипсоидов и анизотропии скоростей и пр. При наличии файла InsysAE.bin с результатами обработки волновых форм сигналов АЭ осуществляет вывод локационных характеристик. В противном случае эта программа делает повторный расчет координат источников сигналов АЭ с вычисление всех сопутствующих параметров сигналов АЭ. Программа Project l_LCard-Read осуществляет синхронизацию всех данных. Производит перерасчет напряженно-деформационных характеристик в новой шкале времени. Делает привязку времени сессий зондирования и отдельных волновых форм сигналов АЭ к единому времени синхростанции. По записям непрерывного потока акустической энергии выделяет отдельные события и формирует бюллетень с указанием характеристик каждого идентифицированного события. Формирует файл синхросигналов с указанием времени и типа синхросигнала. Производит построение графиков, аналогично программе Projectl View. Более подробно структура файлов базы данных с описанием их содержимого представлена в тексте диссертации в приложении №4.

В заключение главы делаются выводы о том, что автором разработаны и отлажены программы и алгоритмы, которые представляют собой единую систему программных средств, позволяющих проводить испытания геоматериалов на высоком аппаратно-техническом уровне, осуществлять их комплексную обработку, и в результате получать наиболее полную картину поведения образца в условиях одно-трехосного сжатия.

В пятой главе "Решение ряда задач физики разрушения горных пород" представлены отдельные эксперименты, проведенные на комплексе и ориентированные на решение определенного круга задач. В разделе 5.1 описывается эксперимент по моделированию сейсмического режима с афтершоковой и роевой активностью. Эксперименты проводились в условиях одноосной деформации. Был выбран режим нагружения большими ступенями. Амплитуда ступенек составляла 24.4 мкм или 20 уровней задающего генератора. Менялся характер подачи ступеньки от однократного смещения на весь диапазон, до нарастания с высокой скоростью. Во время подачи ступени усиливалась акустическая активность, которая и подвергалась дальнейшему анализу.

При моделировании разломной зоны (раздел 5.2) эксперименты проводились в условиях различных всесторонних давлений на нескольких этапах. На начальном этапе осуществлялось проращивание зоны будущего

магистрального разлома. При этом использовался режим управления с обратной связью по активности акустической эмиссии. По завершении процедуры проращивания магистрального разлома всестороннее давление увеличивалось до необходимой величины, и наступал основной этап испытания. На этом этапе использовались различные комбинации режимов деформации со сложным модулирующим воздействием двумя независимыми частотами и подгрузкой большими шагами. Анализу подвергалась акустическая активность и время запаздывания отклика на ступенчатое воздействие.

В разделе 5.3 описаны эксперименты по моделированию триггерных эффектов на косоугольных моделях с ослабленной средней зоной. Испытания проходили в условиях одноосной деформации с контролируемым поджатием боковых сторон модели. Для выявления отклика разрушающейся зоны на слабое импульсное внешнее воздействие периодически производился удар стальным шариком с определенной высоты. Фиксировался поток акустической эмиссии, возникающий в моменты удара, рассчитывались его характеристики. Обнаружен различный характер спада акустической активности в зависимости от степени прикладываемых напряжений.

Раздел 5.4 посвящен небольшой серии геотермических испытаний образцов в условиях повышенных температур. В качестве исходного материала были использованы образцы гидратированных пород. Автором была разработана и изготовлена специальная камера, позволяющая, в процессе нагружения, нагревать испытуемый материал до температуры 200 °С. Был обнаружен характерный отклик потока сигналов АЭ в момент фазового перехода.

В разделе 5.5, в качестве демонстрации применения метода ультразвукового зондирования, приводятся примеры испытаний с применением режима модулирующего воздействия меандром с периодом 60 с. При проведении этих испытаний ультразвуковое зондирование осуществлялось каждые 5 с, что позволило исследовать вариации скоростей распространения упругих волн по периоду модуляции. Система регистрации скоростей распространения упругих волн дает также возможность оценки энергии принимаемой волны. При анализе скоростей и энергий было показано, что энергетический параметр принимаемой волны является более чувствительным к локальным изменениям напряженного состояния. Его характерные изменения начинаются задолго до того, как эти изменения значимо начинают отражаться на скоростях.

В последнем разделе пятой главы описываются эксперименты по моделированию приливных явлений. В ранних экспериментах других исследователей эффект влияния модулирующего воздействия был обнаружен при довольно значительных амплитудах модуляции порядка 1-10% от предела прочности материала. Однако в природных условиях изменения напряженного состояния, связанные с полусуточным приливным воздействием составляют

около 103 Па, что на несколько порядков меньше искусственных модулирующих воздействий. Эксперименты на разработанном комплексе проходили в условиях одноосной деформации при постоянной скорости деформации, равной 1.0Х10'7. Одновременно осуществлялось модулирующее воздействие в виде меандра. Амплитуда меандра варьировалась в диапазоне от 0.0004% до 0.0065% величины максимальной осевой деформации. В результате проведенной серии испытаний была выявлена стадийность в акустическом отклике разрушающегося образца на слабое периодическое воздействие. Эти стадии определялись степенью прикладываемых к образцу напряжений. Выявленная стадийность рассматривается как аналог приливной модуляции высокочастотных сейсмических шумов, что позволяет использовать приливной отклик для мониторинга напряженного состояния окружающей среды.

Таким образом, в данной главе в виде примеров представлен ряд проведенных на комплексе экспериментов, ориентированных на решение задач физики разрушения горных пород, физики землетрясений, моделирование геодинамических процессов, диагностики напряженного состояния среды. Успешное проведение нескольких десятков разноплановых экспериментов подтверждает практическую значимость и востребованность данного исследовател ьского и нструм ента.

В заключении приводятся основные результаты диссертационной работы.

В результате проделанной работы автором был разработан, изготовлен, отлажен и всесторонне опробован научно-исследовательский комплекс для проведения испытаний различных материалов горных пород в лабораторных условиях при их одноосной и трехосной деформации. Данный инструмент представляет собой единую, функционально законченную систему подготовки, проведения эксперимента и дальнейшей обработки полученных данных. Комплекс включает в себя систему контроля и управления режимами испытаний. Кроме этого имеется широкий ряд современных аппаратных средств, предназначенных для регистрации разнообразных физических параметров. Ряд алгоритмов и методов нашли свое применение в исследовательском комплексе впервые. Получаемые данные всех измерительных систем сводятся в единую, синхронизированную по времени базу, удобную для дальнейшего математического и визуального анализа.

В процессе проведения эксперимента и дальнейшей его обработки формируется большой объем данных в бинарном виде, в формате ASCII и в графическом виде. Эти данные легко поддаются анализу и дальнейшей обработке стандартными программами и процедурами. Данная разработка уже нашла свое применение в области изучения физики разрушения горных пород. Автор надеется, что проделанная им работа будет полезна и для более широкого круга специалистов — геофизиков и геологов, исследующих

физические свойства горных пород в процессе их разрушения избыточными

напряжениями.

Основные результаты выполненной работы:

1. Разработан геофизический комплекс, предназначенный для решения целого ряда задач физики разрушения горных пород в лабораторных условиях. Комплекс объединяет в себе систему управления режимами испытаний, тензометрическую станцию регистрации осевого, всестороннего и порового давления, осевой и радиальной деформаций, ультразвуковую станцию регистрации волновых форм сигналов акустической эмиссии и станцию ультразвукового зондирования, две станции непрерывной регистрации потока акустической энергии, систему синхронизации данных управляющей и измерительной аппаратуры.

2. Разработаны и реализованы алгоритмы: определения скоростей распространения упругих волн вдоль трасс зондирования, определения главных осей и ориентации эллипсоида скоростей упругих волн в анизотропной среде, определения координат источников сигналов акустической эмиссии, выделения одиночных событий из общего потока акустической энергии, построения пространственно-временных срезов томограмм скоростей и гипоцентров акустических событий.

3. Создана единая, синхронная база данных, объединяющая в себе как первичные данные, так и результаты их постобработки, дающая возможность оперативно анализировать проведенные испытания с возможностью выборки интересующего пространственно-временного участка.

4. Исследовательский комплекс нашел свое применение при решении ряда задач физики землетрясений.

В рукописи диссертации представлены 4 приложения, в которых дается дополнительный материал. Так в Приложении №1 показаны фотографии насосных станций магистрального, всестороннего и порового давления, камеры высокого давления с системой электровводов, аналоговой стойки управления и интерфейса связи с компьютером, стойки регистрирующей аппаратуры. В Приложении №2 даны фотографии парка камнеобрабатываюших станков. В Приложении №3 представлены фотографии основных типов испытуемых материалов, фотография модели скользящих берегов, архив образцов, прошедших испытания. Также имеются фотографии некоторых характерных видов разрушений, происходящих в процессе нагружения образцов. В Приложении №4 дано подробное описание и структура всех файлов, формируемых в процессе проведения эксперимента и фалов, получаемых в результате обработки.

Основное содержание диссертации изложено в следующих работах: -

1. Лыков В.И., Гончаров В.И., Патотш A.B., Мострюков А.О. Особенности режима сейсмоакустической эмиссии и поля локальных деформаций в процессе вспарывания тектонической перемычки (моделирование) // Физические и сейсмологические основы прогнозирования разрушения горных пород, М.: Наука, 1992, с. 63 - 71.

2. Мострюков А.О., Лыков В.И., Патотш A.B., Петров В.А., Сасорова Е.В. Предваряющее акустическое излучение в экспериментах "stick-slip" как аналог низкочастотных предвестников землетрясений // Физика и механика геоматериалов, М.: «Вузовская книга», 2002, с. 94 - 104.

3. Соболев Г.А., Пономарев A.B.. Кольцов A.B.. Салов Б.Г., Бабичев О.В., Терентьев В.А., Патотш A.B., Мострюков А.О. Возбуждение акустической эмиссии упругими импульсами // Физика Земли, 2001, № 1, с. 79-84.

4. Patonin A.V. Anisotrop}' of the rock drill core elastic properties at uniaxial loading // Russian Journal of Earth Sciences, 2003, vol. 5, № 4, pp. 299-306.

5. Патотш A.B. Обработка данных INOVA. Отраслевой фонд алгоритмов и программ. Свидетельство об отраслевой регистрации разработки JVb 3695 от 18 июня 2004 г.

6. Патотш A.B. Геофизический комплекс INOVA. Отраслевой фонд алгоритмов и программ. Свидетельство об отраслевой регистрации разработки № 3696 от 1 8 июня 2004 г.

7. Патотш A.B. Запись быстрых процессов. Отраслевой фонд алгоритмов и программ. Свидетельство об отраслевой регистрации разработки № 4778 от 17 мая 2005 г.

8. Патотш A.B. Геофизический комплекс INOVA: методика и техника лабораторного эксперимента // Сейсмические приборы, 2006, вып. 42, с. 3-14.

9. Салтыков В.А., Патотш A.B. Стадийность акустической эмиссии при лабораторном моделировании приливных эффектов в сейсмичности // Доклады Академии Наук, 2010, т. 430, № 5, с. 693-696.

10. Смирнов В.Б., Пономарев A.B., Бернар П., Патотш A.B. Закономерности переходных режимов сейсмического процесса по данным лабораторного и натурного моделирования // Физика Земли, 2010, № 2, с. 17-49.

Патонин Андрей Викторович Аппаратно-программный лабораторный комплекс для решения задач физики

разрушения горных пород Автореферат дисс. на соискание ученой степени кандидата технических наук

Подписано в печать « 20 » сентября 2012 г. Формат 60x90/16. Усл. печ. л. 1. Тираж 100 экз.

Содержание диссертации, кандидата технических наук, Патонин, Андрей Викторович

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ЛАБОРАТОРНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ПО ФИЗИКЕ

РАЗРУШЕНИЯ ГОРНЫХ ПОРОД.

1.1. Классификация лабораторных испытательных прессов.

1.2. Регистрирующая аппаратура и методы исследования.

1.3. Основные решаемые задачи

1.4. Сравнительный анализ лабораторных комплексов на базе 21 прессов 1\0\/Д и МТЯ

ГЛАВА 2. ЭЛЕКТРО-ГИДРАВЛИЧЕСКАЛ СИСТЕМА И ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ

ТРЕХОСНЫХ ИС11Ы1 АНИЙ.

2.1. Станция контроля и управления прессом.

2.2. Камера всестороннего сжатия с контейнером для размещения образна.

2.3. Методика подготовки и проведения эксперимента.

ЕЛАВА 3. ДАТЧИКИ И РЕГИСТРАЦИЯ ДАННЫХ.

3.1. Регистрация давления, осевой и радиальной деформации.

3.2. Непрерывная регистрация потока акустической эмиссии.

3.3. Регистрация волновых форм сигналов акустической эмиссии

3.4. Ультразвуковое зондирование.

3.5. Трехкомпонентные акустические датчики.

ЕЛАВА 4. АЛГОРИТМЫ И МЕТОДЫ АНАЛИЗА ДАННЫХ.

4.1. Напряженно-деформационные характеристики.

4.2. Выделение отдельных событий из общего потока 72 акустической эмиссии.

4.3. Скорости упругих волн в анизотропной среде.

4.4. Координаты источников сигналов акустической эмиссии

4.5. Синхронизация данных.

4.6. Формирование базы данных и ее структура.

ГЛАВА 5. РЕШЕНИЕ РЯДА ЗАДАЧ ФИЗИКИ РАЗРУШЕНИЯ ГОРНЫХ ПОРОД

5.1. Моделирование сейсмического режима с афтершоковой и 94 роевой активностью.

5.2. Моделирование разломной зоны.

5.3. Моделирование триггерных эффектов.

5.4. Геотермические испытания материалов.

5.5. Диагностика напряженного состояния по затуханию упругих 112 волн.

5.6. Моделирование приливных явлений.

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Аппаратно-программный лабораторный комплекс для решения задач физики разрушения горных пород"

Изучение процессов зарождения, формирования и развития горных ударов и землетрясений неразрывно связано с моделированием й изучением этих процессов в лабораторных условиях [6, 10, 12, 29]. Сложность таких исследований обусловлена в первую очередь слабо развитыми приборами й техникой лабораторного моделирования, й их высокой стоимостью: Кроме этого, при проведении эксперимента, создать условия, близкие к тем, которые наблюдаются в природе достаточно трудно. Обычно лабораторные исследования геоматериалов проводят как в условиях повышенного внешнего (гидростатического) давления, так и при избыточном осевом давлении. Создаваемое внешнее воздействие требует контроля со стороны Исследователя и возможности изменения режимов деформации и прикладываемых нагрузок. Регистрация различных физических параметров необходима для дальнейшего анализа. Чем больше параметров регистрируется, тем качественнее будет анализ и последующие выводы.

Для успешного проведения лабораторных экспериментов в условиях одноосной и трехосной деформации, изучения процессов, происходящих на всех стадиях деформации и разрушения геологического материала, большое значение имеет решение, по меньшей мере, нескольких задач: 1. Созданйе гибкой системы управления режимами испытания. геоматериала, позволяющей оперативно вмешиваться в ход испытания. ч2. Создание регистрирующей аппаратуры записи как медленно, так и. быстро изменяющихся физических величин с привязкой всех измерений к единому • высокоточному времени. 3. Разработка алгоритмов и методов обработки полученной информации с • созданием единой, унифицированной базы данных, дающей возможность быстро и удобно использовать как исходный материал, так и результаты постобработки.

Настоящая работа была направлена на создание единого аппаратно-программного исследовательского комплекса для всестороннего изучения процессов, происходящих при разрушении геоматериалов в условиях как одноосной, так и трехосной программируемой деформации.

Целью диссертационной работы является: 1. Создание современного лабораторного исследовательского комплекса для проведения серий испытаний горных пород в условиях одноосного и трехосного сжатия, включающего в себя систему контроля и управления режимами испытаний и аппаратно-программного измерительного комплекса для регистрации физических параметров исследуемого материала и дальнейшей обработки исходных данных с последующим формированием единой структуры базы данных, удобной для анализа. Для достижения этой цели были поставлены и решены следующие задачи:

1. Разработка и создание системы управления режимами испытаний, способной реализовывать широкий спектр перепрограммируемых режимов нагружения испытуемого материала в условиях одноосной деформации.

2. Разработка и изготовление контейнера для размещения образца в "камере высокого давления для проведения испытаний в условиях трехосной деформации, совмещающего в себе сеть акустических и тензометрических датчиков.

3. Разработка и создание станции регистрации скоростей упругих волн в анизотропной среде.

4. Разработка и создание станции регистрации волновых форм сигналов акустической эмиссии, возникающих в процессе разрушения материала.

5. Разработка и создание станции непрерывной регистрации потока акустической эмиссии.

6. Создание системы синхронизации, обеспечивающей высокую точность привязки данных всех регистрирующих станций к единой временной шкале.

7. Разработка алгоритма определения скоростей упругих волн и расчета главных осей тензора скоростей в анизотропной среде.

8. Разработка алгоритма определения координат источников сигналов акустической эмиссии.

9. Разработка алгоритма выделения отдельного события из общего потока акустической эмиссии.

10.Создание единой базы данных, включающей в себя как первичные, так и обработанные данные результатов испытаний.

В диссертации на защиту выносятся:

1. Аппаратно-программный лабораторный комплекс, как единый, законченный инструмент, позволяющий проводить полномасштабные испытания материалов горных пород в условиях одноосного и трехосного сжатия с применением разнообразных режимов нагружения, с регистрацией механических и акустических характеристик, а также осуществляющий дальнейшую постобработку исходных данных с формированием единой базы данных.

Научная новизна работы и личный вклад автора определяется рядом впервые полученных аппаратных, программных, методических и экспериментальных результатов, среди которых:

1. Автором разработана и введена в эксплуатацию уникальная система контроля и управления прессом, реализующая большой перечень режимов1 нагружения испытуемого материала при высокой точности поддержания заданной осевой деформации.

2. Автором разработана и введена в эксплуатацию 16-канальная станция регистрации волновых форм сигналов акустической эмиссии, совмещенная с системой ультразвукового зондирования, позволяющая определять4 1 скорости распространения упругих волн по заданным трассам и координаты источников сигналов акустической эмиссии.

3. Автором разработана и введена в эксплуатацию уникальная станция непрерывной регистрации потока акустической эмиссии, дающая возможность выделять отдельные акустические события и с высокой точностью определять их амплитудно-временные характеристики. .

4. Автором отработана методика проведения испытаний, включающая в себя предварительную подготовку образца, начальное тестирование системы,-непосредственное проведение экспериментов с дальнейшей постобработкой результатов.

5. Автором отлажен алгоритм определения скоростей упругих волн по отдельным трассам зондирования и определения главных компонент тензора скоростей в анизотропной среде.

6. Автором реализован алгоритм определения координат источников сигналов акустической эмиссии, позволяющий за счет многостадийной выбраковки существенно повысить точность локации.

7. Опираясь на оригинальную методику выделения одиночного события автором, на качественном и количественном уровне, из общего потока акустической энергии выделены события в широком энергетическом спектре с высоким разрешением по времени и минимальной потерей информации. 7

8. При непосредственном активном участии автора с помощью разработанного исследовательского комплекса произведены большие серий испытаний различных геоматериалов с применением различных режимов

I * нагружения. Получены базы первичных и частично обработанных данных.

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, библиографии и четырех приложений. Объем диссертации составляет 149 станиц, включая 55 рисунков, 2 таблицы, список литературы на 52 наименования и четыре

Заключение Диссертация по теме "Геофизика, геофизические методы поисков полезных ископаемых", Патонин, Андрей Викторович

- Основные результаты работы докладывались на общероссийских и международных конференциях и симпозиумах, опубликованы в ряде российских и зарубежных ведущих изданий. На отдельные программные продукты получено три свидетельства об отраслевой регистрации разработки Отраслевого Фонда Алгоритмов и Программ.

124

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате проделанной работы был разработан, изготовлен, отлажен и всесторонне опробован научно-исследовательский комплекс для испытаний различных материалов горных пород в лабораторных условиях при их одноосной и трехосной деформации. Данный инструмент представляет собой единую, функционально законченную систему подготовки, проведения эксперимента и дальнейшей обработки полученных данных. Комплекс включает в себя систему контроля и управления режимами испытаний. Кроме этого имеется широкий ряд современных аппаратных средств, предназначенных для регистрации разнообразных физических параметров. Ряд алгоритмов и методов нашли свое применение в исследовательском комплексе впервые. Получаемые данные всех измерительных систем сводятся в единую, синхронизированную по времени базу, удобную для дальнейшего математического и визуального анализа.

Экспериментальные исследования образцов с применением акустической регистрирующей аппаратуры ранее проводились на более низком как аппаратном, так и программном уровне. Отсутствовала возможность синхронизации данных различных регистрирующих систем с высокой точностью. В процессе проведения эксперимента и дальнейшей его обработки формируется большой объем данных в бинарном виде, в формате ASCII и в графическом виде. Эти данные легко поддаются анализу и дальнейшей обработке стандартными программами и процедурами. Данная разработка уже нашла свое применение в области изучения физики разрушения горных пород. Автор надеется, что проделанная им работа будет полезна и для более широкого круга специалистов — геофизиков и геологов, исследующих физические свойства горных пород в процессе их разрушения избыточными напряжениями.

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Патонин, Андрей Викторович, Борок

1. Авагимов A.A., Зергарник В.А., Ключкин В.Н. О структуре акустической эмиссии модельных образцов при внешнем энерговоздействии. // Физика Земли. 2006. № 10. С. 36-42.

2. Богомолов J1.M., Сычев В.Н., Ильичев П.В. Феноменологическая модель потока возбужденных эмиссионных сигналов геосреды. // Физика Земли. 2006. № 9. С. 71-80.

3. Бронштейн И.Н., Семендяев К.А. Справочник по математике для инженеров и учащихся вузов. Москва.: Наука. 1981. 720 с.

4. Васин Р.Н., Никитин А.Н., Локаичек Т., Рудаев В. Акустическая эмиссия квазиизотропных образцов горных пород, инициированная температурными градиентами. // Физика Земли. 2006. № 10. С. 26-35.

5. Гантмахер Ф.Р. Теория матриц. Москва.: Наука. 1988. 542 с.

6. Гольдин C.B. Дилатансия, переупаковка и землетрясения. // Физика Земли. 2004. № Ю. С. 37-54.

7. Гудок Н.С., Богданович H.H., Мартынов В.Г. Определение физических свойств нефтеводосодержащих пород. Москва.: Недра. 2007. 592 с.

8. Закупин A.C., Авагимов A.A., Богомолов Л.М. Отклики акустической эмиссии геоматериалов на воздействие электроимпульсов при различных величинах сжимающего напряжения. // Физика Земли. 2006. № 10. С. 43-50.

9. Ю.Кузьмин Ю.О., Жуков B.C. Современная геодинамика и вариации физических свойств горных пород. Москва.: МГГУ. 2004. 264 с.

10. Культин Н. Основы программирования в Delphi 7. Санкт-Петербург.: БХВ-Петербург. 2005. 598 с.

11. Манжиков Б.С. Акусто-эмиссионные проявления пластичности горных пород. // Физика Земли. 2006. № 10. С. 19-25.

12. My дров А.Е. Численные методы для ПЭВМ на языках Бейсик, Фортран и Паскаль. Томск.: МП "Раско". 1991. 271 с.

13. Никитин А.Н., Иванкина Т.Н., Буриличев Д.Е., Клима К., Локаичек Т., Прос 3. Анизотропия и текстура оливиносодержащих мантийных пород при высоких давлениях. // Физика Земли. 2001. № 1. С. 64-78.

14. Патонин А.В. Обработка данных INOVA. ОФАП. Свидетельство об отраслевой регистрации разработки. № 3695 от 18 июня 2004 года.

15. Патонин А.В. Геофизический комплекс INOVA. ОФАП. Свидетельство об отраслевой регистрации разработки. № 3696 от 18 июня 2004 года.

16. Патонин А.В. Запись быстрых процессов. ОФАП. Свидетельство об отраслевой регистрации разработки. № 4778 от 17 мая 2005 года.

17. Патонин А.В. Геофизический комплекс INOVA: методика и техника лабораторного эксперимента. // Сейсмические приборы. 2006. Вып. 42. С. 314.

18. Салтыков В.А., Патонин А.В. Стадийность акустической эмиссии при лабораторном моделировании приливных эффектов в сейсмичности. // Доклады РАН Доклады Академии Наук. 2010. Том 430. № 5. С. 693-696.

19. Смирнов В.Б., Пономарев A.B., Завьялов А.Д. Структура акустического режима в образцах горных пород и сейсмический режим. // Физика Земли. 1995. № 1. С. 38-58.о

20. Смирнов В.Б., Пономарев A.B., Сергеева С.М. О подобии и обратной связи в экспериментах по разрушению горных пород. // Физика Земли. 2001. № 1. С. 89-96.

21. Смирнов В.Б., Пономарев A.B. Закономерности релаксации сейсмического режима по натурным и лабораторным данным. // Физика Земли. 2004. № 10. С. 26-36.

22. Смирнов В.Б., Пономарев A.B., Бернар П., Патонин A.B. Закономерности переходных режимов сейсмического процесса по данным лабораторного и натурного моделирования. // Физика Земли. 2010. № 2. С. 17-49.

23. Соболев Г.А., Пономарев A.B., Кольцов A.B. Возбуждение колебаний в модели сейсмического источника. // Физика Земли. 1995. № 12. С. 72-78.

24. Соболев Г.А., Пономарев A.B., Кольцов A.B., Салов Б.Г., Бабичев О.В., Терентьев В.А., Патонин A.B., Мострюков А.О. Возбуждение акустической эмиссии упругими импульсами. // Физика Земли. 2001. № 1. С. 79-84.

25. Соболев Г.А., Пономарев A.B., Майбук Ю.Я., Закржевская H.A., Понятовская В.И., Соболев Д.Г., Хромов A.A., Цывинская Ю.В. Динамика акустической эмиссии при инициировании водой. // Физика Земли. 2010. № 2. С. 50-67.

26. Стефанов Ю.П. Моделирование поведения консолидированных и высокопористых геологических сред в условиях сжатия. // Математическое моделирование систем и процессов. 2007. № 15. С. 156-169.

27. Томилин Н.Г., Куксенко B.C. Статистическая кинетика разрушения горных пород: энергетическая иерархия процесса. // Физика Земли. 2004. № 10. С. 16-25.

28. Фараонов В. Система программирования Delphi. Санкт-Петербург.: БХВ-Петербург. 2005. 896 с.

29. Филатов Г.А., Баев Е.Ф., Цымбалюк B.C. Малогабаритные низкочастотные фильтры. Москва.: Связь. 1974. 264 с.

30. Хардле В. Прикладная непараметрическая регрессия. Москва.: Мир. 1993. 349 с.

31. Baud P., Vajdova V., Wong Т. Shear-enhanced compaction and strain localization: Inelastic deformation and constitutive modeling of four porous sandstones. // Journal of Geophysical Research. 2006. V. 111. В12401. doi: 10.1029/2005JB004101.

32. Besuelle P., Desrues J., Raynaud S. Experimental characterization of the localization phenomenon inside a Vosges sandstone in a triaxial cell. // International Journal of Rock Mechanics & Mining Sciences. 2000. V. 37. PP. 1223-1237.

33. David N. Dewhurst, Anthony F. Siggins. Impact of fabric, microcracks and stress field on shale anisotropy. // Geophysical Journal International. 2006. V. 165. Issue 1. PP. 135-148.

34. Fortin J., Schubnel A., Gueguen Y. Elastic wave velocities and permeability evolution during compaction of Bleurswiller sandstone. // International Journal of Rock Mechanics & Mining Sciences. 2005. V. 42. PP. 873-889.

35. Fortin J., Stanchits S., Dresen G., Gueguen Y. Acoustic emission and velocities associated with the formation of compaction bands in sandstone. // Journal of Geophysical Research. 2006. V. 111. В10203. PP. 1-16.

36. Karner S., Chester F., Kronenberg A., Chester J. Subcritical compaction and yielding of granular quartz sand. // Tectonophysics. 2003. V. 377. PP. 357-381.

37. Lei X., Kusunose K., Satoh Т., Nishizawa O. The hierarchical rupture process of a fault: an experimental study. // Physics of the Earth and Planetary Interiors. 2003. V. 137. PP. 213-238.

38. Olsson W.A., Holcomb D.J., Rudnicki J.W. Compaction Localization in Porous Sandstone: Implications for Reservoir. // Oil & Gas Science and Technology. 2002. V. 57. № 5. PP. 591-599.

39. Patonin A.V. Anisotropy of the rock drill core elastic properties at uniaxial loading. // Russian Journal of Earth Sciences. 2003. Vol. 5. № 4. PP. 299-306.

40. Pettitt W.S., Young R. P., Keele University; Marsden, J. R. Investigating the Mechanics of Microcrack Damage Induced under True-Triaxial Unloading. // Society of Petroleum Engineers. 1998. SPE 47319-MS.

41. Plumb R.A. Influence of composition and texture on the failure properties of clastic rocks. // Society of Petroleum Engineers. 1994. SPE 28022-MS.

42. Rozanov A.O., Kuksenko V.S., Savel'ev V.N., Stanchits S.A. Elastic-energy spectra produced in a solid by a pulsed radiation pulse. // Physics of the Solid State. 1994. V. 36. Issue 11. PP. 1797-1802.

43. Sobolev G., Spetzler H., Koltsov A., Chelidze T. An experimental study of a triggered stick-slip. //PAGEOPH. 1993. V. 140. № 1. PP. 1-33.

44. Stanchits S., Lockner D., Ponomarev A. Anisotropic Changes in P-Wave Velocity and Attenuation during Deformation and Fluid Infiltration of Granite. // Bulletin of the Seismological Society of America. 2003. V. 93. № 4. PP. 18031822.

45. Stanchits S., Dresen G. Separation of Tesile and Shear Cracks Based on Acoustic Emission Analysis of Rock Fracture. // International Symposium (NDT-CE 2003). http://www.ndt.net/article/ndtce03/papers/v 107/v 107.htm .

46. Stanchits S., Vinciguerra S., Dresen G. Ultrasoni Velocities, Acoustic Emission Characteristics and Crack Damage of Basalt and Granite. // Pure and Applied Geophysics. 2006. V. 163. Issue 5-6. PP. 975-994.

47. Stanchits S., Lockner D., Zinke J. Shear Wave Splitting in Foliated Rock. // USGS. 2009. http://earthquake.usgs.gov/research/physics/lab/shearwave.php .

48. Zang A., Wagner C., Stanchits S., Janssen C., Dresen G. Fracture process zone in granite. // Journal of Geophysical Research. 2000. V. 105. B10. PP. 23,65123,661.