Закономерности термостимулированной акустической эмиссии в горных породах и разработка способов геоконтроля на их основе

Новиков, Евгений Александрович

Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему
Закономерности термостимулированной акустической эмиссии в горных породах и разработка способов геоконтроля на их основе
ВАК РФ 25.00.16, Горнопромышленная и нефтегазопромысловая геология, геофизика, маркшейдерское дело и геометрия недр

Автореферат диссертации по теме "Закономерности термостимулированной акустической эмиссии в горных породах и разработка способов геоконтроля на их основе"

На правах рукописи

НОВИКОВ Евгений Александрович

ЗАКОНОМЕРНОСТИ ТЕРМОСТИМУЛИРОВАННОЙ АКУСТИЧЕСКОЙ ЭМИССИИ В ГОРНЫХ ПОРОДАХ И РАЗРАБОТКА СПОСОБОВ ГЕОКОНТРОЛЯ НА ИХ ОСНОВЕ

Специальность 25.00.16 - «Горнопромышленная и нефтегазопромысловая геология, геофизика, маркшейдерское дело и геометрия недр»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

г 8 НОЯ 2013

Москва 2013

005539985

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Московский государственный горный университет»

Научный руководитель доктор технических наук, профессор ШКУРАТНИК Владимир Лазаревич

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор ЯКОВЛЕВ Дмитрий Владимирович, генеральный директор ОАО «Научно-исследовательский институт горной геомеханики и маркшейдерского дела — Межотраслевой научный центр ВНИМИ» (г. Санкт-Петербург)

кандидат технических наук ТАВОСТИН Михаил Николаевич, начальник испытательного лабораторного центра ООО «Газпром геотехнологии»

Ведущая организация:

Горный институт Уральского отделения Российской академии наук (г. Пермь)

Защита диссертации состоится 24 декабря 2013 г. в Ц ч. 00 мин. на заседании диссертационного совета Д-212.128.04 при Московском государственном горном университете по адресу: 119991, Москва, ГСП-1, Ленинский проспект, д. 6.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного горного университета

Автореферат разослан 13 ноября 2013г.

. Ученый секретарь диссертационного совета докт. техн. наук

С.А. Энштейн

Общая характеристика работы

Актуальность работы. Наличие надежной информации о свойствах и структурных особенностях горных пород является необходимым условием принятия эффективных технологических и технических решений на всех стадиях освоения месторождений полезных ископаемых, строительства и эксплуатации подземных сооружений. Одним из основных источников указанной информации по-прежнему остаются исследования на получаемых из керна образцах, осуществляемые с использованием комплекса ультразвуковых, электрических, магнитных, деформационных, оптических и других видов измерений. В последние годы в этот комплекс все чаще включают аку-стико-эмиссионные измерения, зарекомендовавшие себя как эффективный инструмент неразрушагощего контроля структурно-неоднородных материалов в процессе их деформирования. Однако последнее предъявляет довольно жесткие требования как к размерам и форме исследуемых образцов, так и к подвергаемым механическому воздействию поверхностям, поскольку при их непараллельности и низком качестве обработки возникает интенсивная по-меховая составляющая акустической эмиссии (АЭ). Отмеченное обусловливает высокую трудоемкость и затратность традиционного метода АЭ при изучении геоматериалов и ограничивает его информативность. С другой стороны, известно, что возбуждение сигналов АЭ в твердом теле возможно не только при механическом, но и при термическом воздействии на него. Такое воздействие, приводящее к так называемой термостимулированной акустической эмиссии (ТАЭ), является не только неразрушающим, но и более технологичным, поскольку не предъявляет отмеченных выше жестких требований к исследуемым образцам. Достаточно лишь, чтобы они имели хотя бы одну относительно ровную поверхность, контактирующую с волноводом, через который осуществляется прием АЭ сигналов.

Для практической реализации потенциальных возможностей использования ТАЭ для исследования горных пород необходимо установить её закономерности в функции от параметров структуры и свойств последних и разработать основанные на этих закономерностях соответствующие способы геоконтроля. Кроме того, представляется важным с точки зрения перспектив развития метода термостимулированной акустической эмиссии установление закономерностей последней в зависимости от напряженно-деформированного состояния испытываемых образцов горных пород.

Отмеченное обусловливает актуальность темы настоящей диссертационной работы, исследования в рамках которой проводились при поддержке грантов Российского фонда фундаментальных исследований (РФФИ) (№№ 10-05-00141, 13-05-00168), а также частично ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы (Соглашение №14.В37.21.0655).

Цель диссертационной работы заключается в установлении закономерностей термостимулированной акустической эмиссии образцов горных пород различных генотипов и применении этих закономерностей для обоснования и разработки способов оценки параметров, характеризующих структурные особенности, а также свойства указанных образцов.

Идея работы состоит в использовании метода термостимулированной акустической эмиссии для качественной и количественной оценки параметров структуры и свойств горных пород на образцах.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. Низкотемпературный, не превышающий 90 °С нагрев локальной области образцов скальных горных пород, не изменяет их механических свойств, но в то же время создает сигналы термостимулированной акустической эмиссии, сравнение параметров которой на противоположных и лежащих на равных расстояниях от зоны нагрева поверхностях, обеспечивает выявление и оценку аномальной дефектности этих образцов, что позволяет реализовать цензурирование их достаточно большой выборки.

2. Между пределом прочности при одноосном сжатии образцов скальных горных пород, прошедших цензурирование, и усредненной в температурной области 30^90 "С активностью термостимулированной акустической эмиссии существует прямо пропорциональная корреляционная связь. Причем в диапазоне наиболее вероятных значений предела прочности горной породы эта связь практически линейна и характеризуется наибольшей чувствительностью.

3. Процесс окисления сопровождается ослаблением структурных связей и ростом нарушенное™ каменных углей, что при термоударном воздействии на них приводит к возникновению акустико-эмиссионного отклика, величина активности которого позволяет производить качественную оценку окисленности.

4. В каждом из серии образцов каменной соли, находящихся под возрастающей от образца к образцу статической механической нагрузкой, генерируется акустическая эмиссия как при его нагревании, так и при остывании. Причём при одинаковой скорости последних, примерно равной 10 °С/мин., полученная на серии образцов зависимость попарных отношений усреднённых значений активности акустической эмиссии в процессе остывания и нагрева в функции от приложенной механической нагрузки, содержит экстремальную область, начало которой соответствует пределу длительной прочности.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются:

- удовлетворительной сходимостью результатов экспериментальных исследований структуры и свойств образцов горных пород различных генотипов, полученных методом ТАЭ, и используемыми на практике традиционными методами;

- использованием при проведении экспериментов современных технических средств измерений, отличающихся высокими метрологическими1 характеристиками, а также применением для обработки получаемой информации современных средств вычислительной техники и специализированного программного обеспечения;

- хорошей воспроизводимостью закономерностей термостимулирован-ной акустической эмиссии, установленных на представительном объеме экспериментальных данных, полученных при исследовании более 50 образцов горных пород каждого из исследованных генотипов.

Методы исследований:

- экспериментальное изучение закономерностей стимулированной термическим воздействием акустической эмиссии в образцах горных пород различных генотипов;

- компьютерная обработка, интерпретация и анализ полученной информации с использованием аппарата математической статистики на основе применения современного программного обеспечения;

- обобщение и анализ литературных данных существующего состоянию рассматриваемой проблемы;

- физическое и компьютерное (методом конечных элементов) моделирование.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- обоснована возможность использования метода ТАЭ для оценки дефектности образцов горных пород;

- экспериментально установлена взаимосвязь между отношением активностей акустической эмиссии при остывании и нагреве образцов каменной соли и приложенной к ним механической нагрузки, позволяющая определить значения последней, соответствующие пределу длительной прочности и переходу в запредельную стадию деформирования;

- показана взаимосвязь между вещественным составом горной породы и амплитудными оценками экстремумов её ТАЭ;

- экспериментально получена количественная зависимость между лежащими в определенных пределах размерами контролируемых объектов и активностью возникающей в них ТАЭ, показано, что в этих пределах отсутствует влияние различий в размерах образцов одной и той же горной породы на характер её ТАЭ;

- обоснован и разработан принцип оценки окисленности образцов каменного угля, основанный на анализе информативных параметров активности акустической эмиссии, стимулированной в них термоударом;

- установлена качественная взаимосвязь между средним размером зерна горной породы и активностью возникающей в ней ТАЭ;

- выявлена корреляционная зависимость между пределом прочности образцов скальных горных пород при одноосном сжатии и информативными параметрами акустической эмиссии, стимулированной в них низкотемпературным термическим воздействием.

Научное значение работы заключается в дальнейшем развитии акусти-ко-эмиссионных методов экспериментального определения механических свойств горных пород и оценки их поврежденности, а также установления влияния напряженно-деформированного состояния горных пород на характер проявления ТАЭ в них.

Практическое значение работы состоит в обосновании и разработке ТАЭ способов и методик: неразрушающего определения предела прочности при сжатии образцов скальных горных пород; выявления наличия и оценки местоположения трещиновидных дефектов в образцах этих горных пород и цензурирования их выборки относительно указанных дефектов; качественной оценки окисленности каменного угля на образцах. Выявленные закономерности термостиму-лированной акустической эмиссии горных пород позволяют в перспективе решать с их использованием задачи: определения предела длительной прочности в каменных солях и оценки нагрузки начала дилатансии в них; определения вещественного состава; оценки средних размеров зерна горных пород.

Реализация выводов и рекомендаций. На основе результатов проведенных автором исследований подготовлены «Методика определения предела прочности при одноосном сжатии скальных горных пород методом термости-мулированной акустической эмиссии» и «Методика оценки окисленности каменных углей методом термостимулированной акустической эмиссии», переданные в МГГУ, ИПКОН РАН, ГИ УрО РАН, ННЦ ГП - ИГД им. A.A. Ско-чинского, ИГД ДВО РАН, ГИ КНЦ РАН и другие организации.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на научных симпозиумах «Неделя горняка» (Москва, 2012, 2013), на XII, XIII и XIV Международных конференциях «Физико-химические и петрофизические исследования в науках о Земле» (Москва, 2011, 2012, 2013), на XIX и XX Всероссийских конференциях «Геодинамика и напряженное состояние недр Земли» (Новосибирск, 2011, 2013), на Научной конференции «Сессия Научного совета РАН по акустике и XXV сессия Российского акустического общества» (Москва, 2012), на III Международной научно - технической конференции «Горная геология, геомеханика и маркшейдерия» (Украина, Донецк, 2011). Отдельные положения работы были представлены на 7-м Горнопромышленном форуме «МАЙНЕКС Россия 2011» (Москва, 2011) и на Международном форуме-конкурсе молодых ученых «Проблемы недропользования» (Санкт - Петербург, 2012), а также на I Международной выставке инноваций INVENTO - PRAGUE (Чешская Республика, Прага, 2013).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 20 научных работ, в том числе получено 3 патента РФ на изобретения.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения, изложенных на 141 странице, содержит 33 рисунка, 5 таблиц, список использованной литературы из 130 наименований.

Автор выражает искреннюю благодарность своему научному рукЬво-дителю д.т.н., проф. Шкуратнику В.Л., коллективам кафедры «Физико-технический контроль процессов горного производства», научно-учебной испытательной лаборатории «Физико-химии углей» и структурного подразделения «Лаборатория камня» МГГУ, а также сотрудникам испытательного лабораторного центра ООО «Газпром геотехнологии» за квалифицированные консультации и поддержку.

Основное содержание работы

В рамках первой главы работы приведен аналитический обзор современного состояния методов оценки структурных особенностей и свойств горных пород. При этом особое внимание уделено акустико-эмиссионным методам исследования. Показана перспективность для решения задач геоконтроля метода термостимулированной акустической эмиссии (ТАЭ).

Последняя представляет собой излучение упругих волн, возникающих в процессе нагрева твердых тел вследствие различных факторов, таких как: термический градиент, обусловленный неравномерным нагревом образца; различие термоупругих свойств и коэффициентов теплового расширения слагающих породу минералов, 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.

Обоснована высокая технологичность и низкая стоимость реализации метода ТАЭ. Отмечено, что за счет возбуждения информативных сигналов непосредственно в материале объекта контроля снимается проблема создания качественных контактных условий между его поверхностью и излучающим преобразователем. Представлена краткая характеристика других современных методов, решающих сходные задачи и использующих для получения требуемой информации термическое воздействие. Наряду с достоинствами этих методов показаны их недостатки, заключающиеся в сложности реализации, ограниченной применимости и неоднозначности интерпретации результатов при исследовании горных пород.

Проведенный в рамках первой главы аналитический обзор современного состояния ТАЭ исследований позволил отметить следующее:

— в настоящее время для ряда горных пород определены оптимальные режимы термоакустоэмиссионного эксперимента. Обоснованы базовые положения, регламентирующие вопросы регистрации и обработки его результатов, сформулированы требования к применяемому при его прбве-дении оборудованию;

— экспериментально доказана возможность идентификации горных пород по их термоакустоэмиссионным паспортам;

— на примере бетонов показано наличие взаимосвязи параметров ТАЭ с прочностными свойствами синтезированных крупноструктурных материалов;

- исследовано влияние различных помеховых факторов на термоаку-стоэмиссионный эффект памяти, показана возможность использования этого эффекта для определения максимальной испытанной ранее исследуемой горной породой температуры;

- показана возможность использования метода ТАЭ для исследования процессов «старения», т.е. степени деструкции материалов;

- имеются предпосылки к проведению достаточно сложного компьютерного моделирования на основе программного пакета СОМЭОЬ МиШрЬузкБ, способного частично заменить термоакустоэмиссионные эксперименты на реальных образцах;

- закономерности ТАЭ в горных породах в зависимости от их механических свойств и структурных особенностей, а также влияние напряженно-деформированного состояния практически не изучены, соответственно отсутствуют способы геоконтроля, основанные на этих закономерностях.

Анализ современного состояния исследований в рассматриваемой области, а также приведенная выше цель диссертационной работы позволяют сформулировать следующие её основные задачи:

1) разработка аппаратурного и методического обеспечения измерения параметров термостимулированной акустической эмиссии в образцах горных пород;

2) выявление закономерностей термостимулированной акустической эмиссии в горных породах различных генотипов в функции от их свойств и структурных особенностей;

3) разработка способа выявления и оценки местоположения трещино-видных дефектов в образцах горных пород по особенностям термостимулированной в них акустической эмиссии;

4) разработка способа определения предела прочности при одноосном сжатии образцов горных пород на основе анализа закономерностей термостимулированной в них акустической эмиссии;

5) разработка способа качественной оценки окисленности образцов каменных углей на основе их термостимулированной акустической эмиссии;

6) исследование взаимосвязи термостимулированной акустической эмиссии с напряженно-деформированным состоянием горных пород различных генотипов.

Основными предпосылками для решения поставленных задач являлись результаты теоретических и экспериментальных исследований в области акустико-эмиссионных исследований горных пород, полученные в разные годы такими учеными, как Буйло С.И., Винников В.А., Вознесенский A.C., Журков С.Н., Кучурин С.В., Лавров В.В., Набатов В.В., Тавостин М.Н., Филимонов Ю.Л., Шкуратник В.Л., Яковлев Д.В., Ямщиков B.C., Eberhardt Е., D. Amitrano, Guyer R.A., Hu Hanping, Jones С., Li Jiawei, Prikryl R. и др.

Во второй главе работы излагаются результаты отработки методического обеспечения ТАЭ измерений, а также экспериментальных исследований взаимосвязи параметров термостимулированной акустической эмиссии горных пород с их пределом прочности при сжатии.

С помощью лабораторной установки на основе трубчатой печи Na-bertherm RT 50/250/11 с контроллером типа Р 320 подтверждено отсутствие интенсивного дефектообразования и, соответственно, сохранение исходных механических свойств скальных горных пород в ходе нагрева вплоть до 180 °С (рис. 1) при условии отсутствия в них значимых трещи-новидных дефектов.

N, имп.

2 —V

-ц

II III 1 НИШ 1 ill 1 111

Г,"С

Рис. 1. Функция активности N5; (1) и суммарного счета N (2) ТАЭ от температуры Т нагрева относительно бездефектного образца Коелгинского мрамора

Из рис. 1 видно, что зависимость 2 имеет монотонный характер. Это подтверждает отсутствие интенсивного дефектообразования, т.к. начало этого процесса сопровождается формированием экстремума активности ТАЭ Л^ и нарушает монотонность роста суммарного счета ТАЭ N. Активность ТАЭ А'г в рассматриваемом температурном диапазоне объясняется фоновыми шумами, а также постепенным ростом напряжений (в температурном диапазоне 30-И60 °С) и незначительным развитием (в температурном диапазоне 160-И 80 °С) исходно имеющихся в образцах дефектов.

Подтвержден постулат о том, что, в отличие от АЭ, стимулируемой механическим воздействием, характер ТАЭ не должен зависеть от геометрических размеров образцов. Экспериментально доказано, что с увеличением всех линейных размеров образца в 2 раза и, соответственно, объема в 8 раз происходит рост N-1 примерно в 2 раза (табл. 1).

Учитывая справедливость отмеченной закономерности как для гранита, так и для мрамора, можно предположить, что она справедлива для широкого спектра скальных горных пород.

Таблица 1 - Среднее значение активности ТАЭ N г в областях её

экстремальных значений в зависимости от размера образца

Геоматериал Размер образца, мм Ыг, ИМП./с

Гранит Южно-Султаевского месторождения 10x10x10 9

20x20x20 16

20x20x40 17

35x35x35 29

Мрамор Кибик- Кордонского месторождения 10x10x10 9

20x20x20 18

20x20x40 17

35x35x35 30

С целью упрощения процедуры измерений, а также снижения требований к необходимому для этого оборудованию автором разработано соответствующее аппаратурное обеспечение (рис. 2).

Ь, мм

Рис. 2. Внешний вид (а) и блок схема (б) модуля локального термического на-гружения образца геоматериала с нанесенным на него распределением температур в центральном перпендикулярном торцевым поверхностям сечении

На рис. 2 а представлен внешний вид термического модуля использовавшейся лабораторной установки. Нагревательный элемент 6 крепится на образце, как это показано на рис. 2 б, где также приведено рассчитанное методом конечных элементов и подтвержденное инструментальными замерами распределение температурного поля в плоскости центрального сечения образца 3 геоматериала, перпендикулярной его верхней 1 и нижней 2 торцевым поверхностям.

На указанных торцевых поверхностях соосно закрепляют помещенные в специальные защитные кожухи приемные акустические преобразователи 4 и 5. На боковой поверхности образца по его периметру размещают электропроводный нагревательный элемент б, выполненный в виде четырех медных пластин, на которые с помощью управляемого источника 7 питания подают напряжение, достаточное для нагрева локальной области 8 образца до температуры Т=100±3 °С. Постоянство температуры нагревательного элемента обеспечивается с помощью контура управления, включающего термопару и контроллер 9, подключенный к управляющему входу источника питания.

С использованием представленного на рис. 2 аппаратурного обеспечения разработан ТАЭ способ выявления трещиновидных дефектов в образцах скальных горных пород и определения их местоположения относительно области нагрева. Для этого в общем случае нагревают до 90 °С локальную область образца, расположенную на равном расстоянии от приемных преобразователей АЭ, которые принимают сигналы акустической эмиссии, распространяющиеся от локальной нагреваемой области. Затем определяют и регистрируют зависимости суммарного счета этих сигналов от времени, на которых выделяют значения, соответствующие моменту прекращения роста указанных зависимостей. По отношению меньшего к большему из этих значений судят о наличии трещиновидных дефектов и их местоположении относительно локальной нагреваемой области. Путем удаления из выборки чрезмерно дефектных образцов осуществляют процедуру её цензурирования.

Упомянутая процедура необходима для определения предела прочности при сжатии именно испытуемой горной породы, а не конкретного образца, её представляющего. В последнем случае результаты испытаний могут быть искажены из-за наличия в образце зоны структурной неоднородности, как правило, приводящей к его разрушению при меньших нагрузках, нежели способен выдержать участок массива, из которого взят этот образец.

В случае попадания значимого количества указанных образцов в исследуемую выборку вероятна выдача заключения, занижающего реальные механические характеристики породы в месте её залегания, что приведет к выбору неверного способа ее отработки и негативно отразится на эффективности горных работ в целом.

Для образцов, прошедших описанную выше процедуру цензурирования, показана возможность определения предела прочности при одноосном сжатии их материала методом ТАЭ. Для этого в температурном диапазоне 30-И?0 °С рассчитывают среднюю активность ТАЭ каждого образца, прошедшего операцию цензурирования, далее часть из образцов подвергают одноосному механическому нагруженшо, по результатам которого определяют их предел прочности. Затем строят тарировочную кривую (рис. 3), описывающую взаимосвязь между средней активностью ТАЭ и пределом прочности материала для всей серии механически испытанных образцов, по которой определяют предел прочности материала оставшейся части образцов, прошедших операцию цензурирования и, соответственно, подвергавшихся только неразрушающему термическому воздействию. сГетг, МПа

85 80 75 70

6530 32 34 36 38 т, имп./с

Рис. 3. Характерный вид тарировочной зависимости между Л^ и асж для всей выборки испытанных образцов гранита Капустинского месторождения с учетом её цензурирования

В аналитическом виде функция, отраженная на рис. 3, может быть описана следующим соотношением:

сгсх=а,+а1-ыг+а^ы1+а,-ы\> (1)

где ап - структурно зависимые коэффициенты, индивидуальные для каждого типа горной породы; асж - предел прочности геоматериала, МПа; А^ - средняя активность ТАЭ в диапазоне 30-^90 °С, имп.

/ 1

.Диат ——- тувс азон наибольшей вительности метода ^¿¿^

> г

По формуле (1) с использованием предварительно измеренных значений , а также структурных коэффициентов а{= 2824,47; а2= -234,67; аг= 6,58; а4= -0,06 был рассчитан псж контрольной группы из 36 образцов гранита Капустинского месторождения. Кроме того, для каждого из этих образцов величина асж была определена стандартным методом путем одноосного сжатия с фиксацией нагрузки разрушения. В рассматриваемом случае коэффициент корреляции между асж и стсж(N1) составил 0,97.

Рассчитанные по формуле (1) значения ссж отличались от соответствующих значений, полученных в результате механических испытаний, не более чем на 3,8 %. Отмеченное свидетельствует о взаимосвязи параметров ТАЭ с пределом прочности геоматериала при одноосном сжатии.

Полученные в данной главе результаты подтверждены исследованиями на гранитах Маславского, Роговского и Южно-Султаевского месторождений, а также на мраморах Коелгинского и Кибик-Кордонского месторождений.

Третья глава посвящена структурной и вещественной диагностике горных пород по особенностям характера АЭ, вызванной их нагревом.

Методом физического моделирования исследовано влияние средних размеров минерального зерна З3 горной породы на её ТАЭ. Показано, что уровень активности АЭ при термическом разрушении образца прямо пропорционален его З3. Достоверность полученных результатов подтверждена их качественным совпадением с результатами аналогичных исследований на однотипных природных гранитах Южно-Султаевского месторождения различной зернистости: мелкозернистых - с размерами зерен до 2 мм, средне-зернистых - от 2 до 5 мм и крупнозернистых - свыше 5 мм.

Методом ТАЭ выявлено, что при определенной комбинации вещественного состава и размеров минерального зерна 13 геоматериала существует участок функции прочности этого материала от , где она имеет экстремальный характер, отличный от описываемого теоретической моделью Холла-Петча и уравнением Мотта-Стро. Причем вид зависимостей прочности (рис. 4) и активности АЭ (рис. 5) от <73 в температурной области окончательного набора

прочности модельным материалом в значительной мере совпадает.

бсж,МПа

_0.23 ¿а, ММ

0,36

Рис. 4. Зависимость величины механической нагрузки разрушения образцов осж в температурной области окончательного набора прочности композитом в функции от с!3

, и мп ./с 1,00 ■

0,80 0,60 0,40 0,20 0,00

0,23 мм

0.28

Рис. 5. Зависимость величины N1 в температурной области окончательного набора прочности композитом в функции от З3 наполнителя

Экспериментально исследовалось влияние на ТАЭ горных пород их вещественного состава. В результате было установлено, что определение последнего возможно на основе процентного распределения значений пиков активности ТАЭ относительно их общей суммы (рис. 6 и табл. 2).

Л^, имп./С I I I 307

300 ■ Первый пик 0 Второй пик В Третий пик | 27!

250 ■

200

150 - 97

100 47 34 46 46 1 62

50 0 « и 18 - т.Ш Ш 121 ° 1 га г4 н 15 В 1 и ° 1 •1!

3 4

Условный тип гранита

Рис. 6. Схема характеристики максимальной активности ТАЭ в пике для каждого из испытанных гранитов условных типов, где под условным типом понимается принадлежность к различным месторождениям

Таблица 2 - Усредненный и диагностируемый по ТАЭ вещественный _состав исследуемых образцов гранита _

Условный тип гранита по крупности включении Усредненный вещественный состав, % Диагностируемый по ТАЭ вещественный состав, %

Слюда (биотит) Кварц Ортоклаз Слюда (биотит) Кварц Ортоклаз

1 15 30 55 17 31 51

2 2 67 31 0 65 35

3 5 49 46 0 58 42

4 2 59 39 0 75 25

5 22 52 26 28 54 18

6 3 33 64 0 26 74

7 4 32 64 0 17 83

Чувствительность метода ТАЭ к структурной поврежденности геоматериала создает предпосылки для адаптации этого метода для оценки окис-ленности образцов каменного угля, т.к. последняя сопровождается изменением его исходной структуры.

Для испытаний использовали образцы, доведенные методом сухой шлифовки до формы призм примерно одинакового между собой объема, с длиной ребер около 25 мм и хотя бы одной плоской стороной диаметром -15 мм для контакта с волноводом. Окисление части образцов проводили при 1=130 °С в течение 24 часов в паро-воздушной среде. В результате этого, как показали исследования с использованием оптической микроскопии в отраженном свете, на поверхности указанных образцов (выборка И) сформировалась разветвленная сетка трещин (рис. 7), а их удельная трещиноватость в среднем возросла на 18,3 % (с 64,5 до 76,3 мм"2) по отношению к исходным углям (выборка I). Кроме того, исследование химического состава образцов, подвергшихся термоокислительной обработке (ТО) при различных температурах, показало, что с ростом последних происходит повышение содержания в угле кислорода, сопровождающееся снижением содержания углерода (рис. 8). С ростом содержания кислорода связано ослабление структурных связей и уменьшение термической стойкости органического вещества угля, что в конечном итоге определяет возникновение трехциновидных дефектов, диагностируемых методом ТАЭ.

Рис. 7*. Микрофотография характерного участка аншлиф-куска угля после ТО

Исходные 40 60 80 юо 120 140 160

Угли Температура окислительной обработки, °С

Рис. 8*. Изменение Саа' и О^ в каменных угля при различных температурах их окислительной обработки

0 200 400 600 800 1*~1000 1200 1400 1, с

Рис. 9. Зависимость активности ^ и суммарного счета N АЭ в функции от времени нагрева образцов исходного (а) и окисленного (б) каменного угля: I* - момент времени установления термического равновесия между образцом и окружающей средой

* Представленные на рис. 7 и 8 данные получены совместно с научно-учебной испытательной лабораторией «Физико-химии углей» мГГУ.

Для стимуляции АЭ в образцах исходного и окисленного углей использовался термоудар, под которым понимают нагрев со скоростью не менее 15 °С/мин от 25^-30 °С до 130 "С. Характерные результаты испытаний образцов каждой из выборок (по 16 образцов в каждой) представлены на рис. 9.

. имп./с

6 3'

а (выборка I)

0 200 400

, импУс

Из рис. 9 следует, что структура исходных образцов угля способна выдерживать термическое воздействие практически без образования новых дефектов, при этом активность ТАЭ близка к фоновой. В свою очередь в окисленных образцах, структура которых в большей степени нарушена, термоудара достаточно для интенсификации дефектообразования, сопровождающегося формированием экстремума ТАЭ.

Построенный на приведенных выше физических предпосылках способ качественной оценки окисленности углей заключается в следующем. Методом сухой шлифовки подготавливают образцы угля, как это показано выше. Далее подвергают каждый из этих образцов термоударному воздействию, одновременно регистрируют среднюю активность ТАЭ за время активного нагрева образца (область А на рис. 9), определяют вес образца, рассчитывают удельную активность ТАЭ, представляющую собой частное от деления полученной ранее средней активности ТАЭ на вес образца. По значению указанного частного судят об окисленности угля. Окисленным образцам соответствуют значения не менее 0,1 имп./с.

Предложенный способ позволяет получать информацию об окисленности не только поверхностных областей исследуемого образца, но и всего его объёма. Кроме того, этот способ может быть реализован с меньшими, чем традиционный по ГОСТ 8930-94, затратами и в режиме экспресс-анализа.

В четвертой главе работы рассматриваются результаты исследования влияния напряженно-деформированного состояния горных пород на ТАЭ с использованием лабораторной установки, представленной на рис. 10. Эта установка основана на рычажно-механическом прессе I, не содержащем каких-либо двигателей или иных источников звуковых сигналов и, как следствие, не являющемся источником акустических помех. Нагружение образца, располагаемого на площадке II, производится путем плавного вращения ручки управления III. Конкретные значения нагрузок, подаваемых на образец, считывают-ся посредством тензодинамометра IV, содержащего индикатор V часового типа. Термический модуль, использующийся в лабораторной установке, аналогичен показанному на рис. 1.

Экспериментально установлено наличие взаимосвязи (рис. 11) между стадийностью напряженно-деформированного состояния образцов геоматериала и характером их ТАЭ. На примере мрамора Коелгинского месторождения, гранита Южно-Султаевского месторождения, известняка месторождения Сары-Таш2 (травертин 2), а также каменной соли Верхнекамского месторождения показано качественное совпадение характера указанной взаимосвязи для широкого спектра горных пород различных генотипов. ~NT.

О 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 стсж

Рис. 11. Зависимость средней активности N г ТАЭ от выраженной в долях ссж нагрузки, приложенной к образцам мрамора Коелгинского месторождения: I - область закрытия структурных дефектов; 11(a) - область линейного деформирования; 11(b) - область образования микротрещиноватости; III - область разветвления и слияния трещин; IV - область снижения грузонесущей способности и разрушения горной породы

Доказано отсутствие принципиального влияния способа нагрева образцов геоматериала (внешний или внутренний) на результаты их исследования методом ТАЭ. Это обусловливает существование возможности использования полученных лабораторным путем при внешнем нагреве результатов для реализации термоакустоэмиссионного скважинного каротажа с целью оценки параметров непосредственно массива горных пород.

В результате проведенных экспериментов установлено, что отношения

активностей ТАЭ при остывании Л'г и нагреве A'i каждого из образцов, подвергшихся индивидуальной и возрастающей с шагом 0,05-асж от образца к образцу механической нагрузке, примерно равны друг другу, за исключением группы образцов, испытанных при [0,4-0,6]«асж (рис. 12), что соответствует области начала дилатансии, определенной стандартным способом.

Ща) 1Kb) 11111 IV \

В _ -----,-- \1

Кроме того, отмечено, что зависимость на рис. 12 демонстрирует тенденцию к росту строго после нагружения образцов каменной соли свыше их осж, т.е. при переходе в запредельную стадию деформирования.

Ш/Ж________,

2,0 1,5 1,0 0,5

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 °ож Рис. 12. Функция отношения Л'х к Л'" от приложенной к образцам каменной нагрузки, выраженной в долях ссж

Понятие «дилатансия» тесно связано с понятием «предел длительной прочности», т.к. последнее определяется как предельное значение нагрузки, которую горная порода способна держать без потери грузонесущей способности, т.е. без интенсивного дефектообразования в течение протяженного периода времени. Таким образом, можно говорить, что значение нагрузки начала дилатансии соответствует значению нагрузки предела длительной прочности.

Чтобы проверить это утверждение на аналогичных использованным в данной работе образцах каменной соли скважины Зт Россошинской площади в Волгоградской области традиционным способом по СП 34-106-98 в лаборатории ООО «Газпром геотехнологии» был определен их предел длительной прочности. Установлено, что ст" ~ 23,8 МПа, а стсж ~ 51,7 МПа, соответственно ст" составляет 0,46«стсж. Этот результат совпадает с полученным по предлагаемому ТАЭ способу, что свидетельствует о достоверности получаемых с его использованием результатов.

Заключение

В диссертации, представляющей собой научно-квалификационную работу, на основе экспериментальных исследований решена научная задача установления закономерностей термостимулированной акустической эмиссии в горных породах, а также обоснования и разработки на базе этих закономерностей способов геоконтроля, что имеет существенное значение для повышения качества информационного обеспечения эффективного и безопасного ведения горных и горно-строительных работ.

Основные полученные лично автором научные и практические результаты, выводы и рекомендации работы заключаются в следующем:

1. Выявлены и объяснены закономерности ТАЭ в образцах горных пород различных генотипов в функции от особенностей их структуры, свойств и состояния.

2. Экспериментально установлено наличие однозначной зависимости между средней активностью ТАЭ и размерами контролируемых объектов, что позволяет проводить соответствующие исследования на образцах любых размеров даже в рамках одного эксперимента, т.к. получаемые при этом результаты могут быть приведены к единому нормированному значению и обрабатываться как единая выборка.

3. Обоснован и разработан неразрушающий ТАЭ способ выявления в образцах скальных горных пород трещиновидных дефектов и определения их местоположения относительно зоны нагрева, обеспечивающий возможность цензурирования выборки образцов относительно их аномальной дефектности.

4. Обоснован и разработан ТАЭ способ определения предела прочности при одноосном сжатии образцов скальных горных пород, основанный на использовании получаемой экспериментально тарировочной зависимости между средней активностью ТАЭ в температурном диапазоне 3(Ь-90 °С и пределом прочности объекта контроля.

5. Показана возможность определения вещественного состава исследуемых образцов горных пород на основе полученного при их нагреве процентного распределения амплитудных значений пиков активности ТАЭ, относительно их общей суммы.

6. Методом ТАЭ, при помощи физического моделирования, с использованием композиционных материалов на основе алюмосиликатной матрицы с кварцевым наполнителем выявлено, что при определенном среднем размере минерального зерна с!3 геоматериала существует участок функции прочности этого материала от <73, где она имеет экстремальный характер, отличный от описываемого теоретической моделью Холла-Петча и уравнением Мотта-Стро. Указанное моделирование и эксперименты на природных гранитах различной зернистости показали, что уровень ТАЭ объекта контроля пропорционален его 13.

7. Обоснован и разработан способ качественной оценки окисленности образцов каменных углей, которая сопровождается ослаблением структурных связей за счет внедрения в них кислорода и ростом нарушенности структуры углей, что при термоударном воздействии на них приводит к возникновению акустико-эмиссионного отклика, величина активности которого позволяет производить качественную оценку окисленности.

8. Обоснована и экспериментально доказана возможность определения методом ТАЭ нагрузки, соответствующей пределу длительной прочности образцов каменной соли, по особенностям соотношения средних значений активностей их ТАЭ при нагреве и остывании, проводимых с одинаковой скоростью, примерно равной 10 °С/мин.

9. Обоснована взаимосвязь характера ТАЭ на различных стадиях деформирования горной породы и уровня действующих на неё статических механических нагрузок. Экспериментально доказано, что эта взаимосвязь справедлива для широкого спектра горных пород различных генотипов.

10. По результатам проведенного исследования разработаны методики цензурирования выборки образцов горных пород относительно наличия в них трещиновидных дефектов и определения предела прочности при одноосном сжатии для каждого конкретного образца, прошедшего операцию цензурирования, а также оценки окисленности образцов каменных углей по уровню стимулированной в них термоударным воздействием акустической эмиссии. Показана возможность использования метода ТАЭ для определения предела длительной прочности и вещественного состава горной породы, а также оценки среднего размера её минерального зерна.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих печатных работах.

В изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки России;

1. Шкуратник В Л., Новиков Е.А. Физическое моделирование влияния размеров минерального зерна на акустическую эмиссию геоматериалов при их нагревании // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых, 2012, №1.-С. 12-19.

2. Новиков Е. А. Современное состояние исследований в области термоакустической эмиссии горных пород (обзор) // Горный информационно-аналитический бюллетень, 2012, №5. - С. 394-401.

3. Шкураник B.JT., Новиков Е.А. О взаимосвязи термостимулирован-ной акустической эмиссии скальных горных пород с их пределом прочности при сжатии // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых, 2012, №4. - С. 44-51.

4. Новиков Е.А., Цыдендоржиева Л.В. Установка для оценки нарушенное™ геоматериалов с помощью регистрации их термоакустической эмиссии // Горный информационно-аналитический бюллетень, 2011, №12. -С. 129-132.

5. Шкуратиик В.Л., Новиков Е.А. О влиянии размера образцов горных пород на характер их термоакустической эмиссии // Горный информационно-аналитический бюллетень, 2012, № 10. - С. 135-139.

6. Шкуратиик B.JL, Новиков Е.А., Айнбиндер А.Г. О взаимосвязи термостимулированной акустической эмиссии образцов угля со степенью их структурной поврежденности // Горный информационно-аналитический бюллетень, 2012, № 12. - С. 344-348.

7. Новиков Е.А., Загорский ДЛ. Об особенностях акустоэмиссион-ного эффекта памяти в скальных геоматериалах в низко- и высокотемпературных диапазонах // Горный информационно-аналитический бюллетень, 2013,№ 8.-С. 333-337.

8. Новиков Е.А., Шкуратиик BJL, Эпштейн С.А., Нестерова В.Г., Добрякова Н.Н, О возможности оценки окисленности угля по акустической эмиссии, стимулированной в нём термоударным воздействием // Горный информационно-аналитический бюллетень, 2013, № 8. - С. 90-96.

9. Shkuratnik V.L., Novikov Е.А. Physical modeling of the grain size influence on acoustic emission in the heated geomaterials // Journal of Mining Science. January 2012, Volume 48, Issue 1, pp. 9-14.

10. Shkuratnik V.L., Novikov E.A. Correlation of thermally induced acoustic emission and ultimate compression strength in hard rocks // Journal of Mining Science July 2012, Volume 48, Issue 4, pp. 629-635.

11. Способ контроля качества материалов методом акустической эмиссии: пат. 2478947 Рос. Федерация МПК G01N 29/14 / В.Л. Шкуратник, Е.А. Новиков; заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВПО МГГУ, зарег. в Гос. реестре изоб. РФ 10.04.2013, бюл. изобр. № 10.

12. Акустико-эмиссионный способ контроля качества материалов на образцах: пат. 2492464 Рос. Федерация МПК GO IN 29/14 / В. Л. Шкуратник, Е.А. Новиков, A.A. Кормнов; заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВПО МГГУ, зарег. в Гос. реестре изоб. РФ 10.09.2013, бюл. изобр. № 25.

13. Способ контроля качества материала образца методом акустической эмиссии: пат. 2494389 Рос. Федерация МПК G0IN 29/14 / В.Л. Шкуратник, Е.А. Новиков; заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВПО МГГУ, зарег. в Гос. реестре изоб. РФ 27.09.2013, бюл. изобр. № 27.

В прочих изданиях:

14. Вознесенский A.C., Новиков Е.А., Шкуратник B.JI. О взаимосвязи параметров акустической эмиссии и затухания ультразвука со структурными параметрами гипсосодержащих пород при их нагревании // Двенадцатая международная конференция «Физико-химические и петрофизические исследования в науках о Земле», Москва, материалы конференции, ИГЕМ РАН, 2011.-С. 56-59.

15. Шкуратник BJL, Новиков Е.А. О влиянии предварительного механического нагружения образцов горных пород на характер проявления в них термоакустической эмиссии (материалы конференции) // УкрНДМ1 HAH УкраТни, №9 (частина I) / ГПд заг. ред. A.B. Анциферова. - Донецк, УкрНДМ1 HAH Украши, 2011. - С. 405-415.

16. Вознесенский A.C., Набатов В.В., Куткин Я.О., Новиков Е.А. Структурная диагностика горных пород на основе анализа термоакустической эмиссии // Геодинамика и напряженное состояние недр Земли. Труды Всероссийской конференции, посвященной 80-летию академика М.В. Курле-ни, Новосибирск, 2011, том I. - С. 299-304.

17. Шкуратник В Л., Новиков Е.А. Диагностика структурных нарушений образцов скальных горных пород по параметрам термостимулирован-ной в них акустической эмиссии // Тринадцатая международная конференция «Физико-химические и петрофизические исследования в науках о Земле», Москва, материалы конференции, ИГЕМ РАН, 2012. - С. 291-294.

18. Новиков Е.А. О влиянии трещиновидных дефектов структуры скальных геоматериалов на их термоакустическую эмиссию П Сборник трудов Научной конференции «Сессия Научного совета РАН по акустике и XXV сессия Российского акустического общества. T.I. - М.: ГЕОС, 2012. - С. 345-348.

19. Шкуратник BJL, Новиков Е.А. О взаимосвязи термостимулиро-ванной акустической эмиссии с напряженно-деформированным состоянием геоматериала и переходом его в стадию предразрушения // Труды XX Всероссийской конференции с участием иностранных ученых, 7-11 октября 2013, г. Новосибирск, 2013. - С. 32-37.

20. Шкуратник B.JI., Новиков Е.А. Диагностика начала дилатансии в статически напряженной каменной соли по параметрам её термостимулирован-ной акустической эмиссии // Четырнадцатая международная конференция «Физико-химические и петрофизические исследования в науках о Земле», Москва, материалы конференции, ИФЗ им. О.Ю. Шмидта РАН, 2013. - С. 287-290.

Подписано в печать 14.11.2013. Формат 60x90/16. Бумага офсетная 1,0 п. л. Тираж 100 экз. Заказ № 2721

^Е^мискиискш и ГОСУДАРСТВЕННОГО ГОРНОГО УНИВЕРСИТЕТА

Лицензия на издательскую деятельность ЛР № 062809 Код издательства 5X7(03)

Отпечатано в типографии Издательства Московского государственного горного университета

Лицензия на полиграфическую деятельность ПЛД№ 53-305

119991 Москва, ГСП-1, Ленинский проспект, 6; Издательство МГГУ; тел. (499) 230-27-80; факс (495) 737-32-65

Текст научной работыДиссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Новиков, Евгений Александрович, Москва

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ

ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ГОРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

На правах рукописи

04201450242

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор технических наук профессор Шкуратник В.Л.

Москва-2013

СОДЕРЖАНИЕ

Введение...................................................................................................................4

Глава 1. Современное состояние и актуальность акустико-эмиссионных исследований структуры, свойств и состояния горных пород.........................................................................................................................9

1.1 Актуальность проблемы исследования структуры, свойств и

состояния горных пород..................................................................................................9

1.1.1 Структура горных пород........................................................................9

1.1.2 Состояние горных пород......................................................................12

1.1.3 Свойства горных пород........................................................................14

1.2 Современное состояние акустико-эмиссионных методов исследования горных пород и массивов....................................................................20

1.3 Современные методы термического анализа.....................................................26

1.4 Обзор современного состояния научных исследований в области термостимулированной акустической эмиссии reo- и иных материалов...........31

1.4.1 Экспериментальные исследования......................................................31

1.4.2 Теоретическое моделирование............................................................43

1.4.3 Заключение.............................................................................................46

1.5 Выводы по главе и постановка задачи исследования.......................................47

Глава 2. Экспериментальное исследование взаимосвязи параметров термостимулированной акустической эмиссии горных пород с их пределом прочности при сжатии.........................................................................51

2.1 Общая характеристика и обоснование выбранного способа решения поставленной задачи......................................................................................................51

2.2 Использование метода термостимулированной акустической эмиссии для выбраковки (из выборки) образцов горных пород с аномальной дефектностью.......................................................................................53

2.2.1 Оценка наличия и типа трещиновидных дефектов в геоматериале по стимулированной в нем объемным нагревом акустической эмиссии....................................................................................55

2.2.2 Цензурирование выборки с использованием метода термостимулированной акустической эмиссии................................................61

2.3 Зависимость термостимулированной акустической эмиссии образцов горных пород от их предела прочности при одноосном

сжатии...............................................................................................................................67

2.4 О влиянии размера образцов горных пород на характер их термостимулированной акустической эмиссии....................................................70

2.5 Выводы по главе.......................................................................................................74

Глава 3. Структурная и вещественная диагностика геоматериала по особенностям характера акустической эмиссии, вызванной его нагревом........77

3.1 Физическое моделирование влияния размеров минерального зерна

на акустическую эмиссию горных пород при их нагревании...............................77

3.1.1 Постановка экспериментов..................................................................79

3.1.2 Результаты экспериментов и их обсуждение.....................................80

3.2 Оценка вещественного состава горных пород методом термостимулированной акустической эмиссии.......................................................88

3.2.1 Приборное и методическое обеспечение экспериментов.................89

3.2.2 Результаты экспериментов и их обсуждение.....................................89

3.3 Взаимосвязь характера термостимулированной акустической эмиссии в горных породах со структурными изменениями протекающими в них под воздействием нагрева.....................................................93

3.3.1 Методическое и аппаратурное обеспечение

термоакустоэмиссионных измерений..........................................................94

3.3.2 Анализ экспериментально полученных результатов........................95

3.4 Оценка окисленности проб углей по характеру их

термостимулированной акустической эмиссии.......................................................97

3.4.1 Методическое и аппаратурное обеспечение

термоакустоэмиссионных измерений..........................................................99

3.4.2 Обсуждение результатов экспериментов..........................................103

3.5 Выводы по главе.....................................................................................................106

Глава 4. Применение метода термостимулированной акустической эмиссии для исследования напряженно-деформированного состояния горных пород.......................................................................................................109

4.1 Постановка экспериментов..................................................................................111

4.2 Влияние величины нагрузки, действующей на горные породы и способа их нагрева на характер возникающей при этом акустической эмиссии...........................................................................................................................113

4.2.1 Результаты экспериментов на образцах мрамора и их анализ.......113

4.2.2 Результаты экспериментов на образцах каменной соли и их анализ.............................................................................................................117

4.2.3 Результаты экспериментов на образцах известняка, а также гранита и их анализ.....................................................................................119

4.3 Диагностика начала дилатансии в статически напряженной каменной соли по параметрам её термостимулированной акустической эмиссии..............................................................................................121

4.4 Выводы по главе.....................................................................................................125

Заключение..........................................................................................................126

Список использованных источников...................................................................128

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. Наличие надежной информации о свойствах и структурных особенностях горных пород является необходимым условием принятия эффективных технологических и технических решений на всех стадиях освоения месторождений полезных ископаемых, строительства и эксплуатации подземных сооружений. Одним из основных источников указанной информации по-прежнему остаются исследования на получаемых из керна образцах, осуществляемые с использованием комплекса ультразвуковых, электрических, магнитных, деформационных, оптических и других видов измерений. В последние годы в этот комплекс все чаще включают аку-стико-эмиссионные измерения, зарекомендовавшие себя как эффективный инструмент неразрушающего контроля структурно-неоднородных материалов в процессе их деформирования. Однако последнее предъявляет довольно жесткие требования как к размерам и форме исследуемых образцов, так и к подвергаемым механическому воздействию поверхностям, поскольку при их непараллельности и низком качестве обработки возникает интенсивная по-меховая составляющая акустической эмиссии (АЭ). Отмеченное обусловливает высокую трудоемкость и затратность традиционного метода АЭ при изучении геоматериалов и ограничивает его информативность. С другой стороны, известно, что возбуждение сигналов АЭ в твердом теле возможно не только при механическом, но и при термическом воздействии на него. Такое воздействие, приводящее к так называемой термостимулированной акустической эмиссии (ТАЭ), является не только неразрушающим, но и более технологичным, поскольку не предъявляет отмеченных выше жестких требований к исследуемым образцам. Достаточно лишь, чтобы они имели хотя бы одну относительно ровную поверхность, контактирующую с волноводом, через который осуществляется прием АЭ сигналов.

Отмеченное обуславливает актуальность темы настоящей диссертационной работы, исследования в рамках которой проводились при поддержке грантов Российского фонда фундаментальных исследований (РФФИ) (№№ 10-05-00141, 13-05-00168), а также частично ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы (Соглашение №14.В37.21.0655).

Научные положения, выносимые на защиту:

2. Между пределом прочности при одноосном сжатии образцов скальных горных пород, прошедших цензурирование, и усредненной в температурной области 30-^-90 °С активностью термостимулированной акустической эмиссии существует прямо пропорциональная корреляционная связь. Причем в диапазоне наиболее вероятных значений предела прочности горной породы эта связь практически линейна и характеризуется наибольшей чувствительностью.

3. Процесс окисления сопровождается ослаблением структурных связей и ростом нарушенности каменных углей, что при термоударном воздействии на них приводит к возникновению акустико-эмиссионного отклика, величина активности которого позволяет производить качественную оценку окисленности.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются:

- использованием при проведении экспериментов современных технических средств измерений, отличающихся высокими метрологическими характеристиками, а также применением для обработки получаемой информации современных средств вычислительной техники и специализированного программного обеспечения;

Методы исследований:

- обобщение и анализ литературных данных существующего состоянию рассматриваемой проблемы;

- физическое и компьютерное (методом конечных элементов) моделирование.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- обоснована возможность использования метода ТАЭ для оценки дефектности образцов горных пород;

- выявлена корреляционная зависимость между пределом прочнрсти образцов скальных горных пород при одноосном сжатии и информативными параметрами акустической эмиссии, стимулированной в них низкотемпературным термическим воздействием.

Практическое значение работы состоит в обосновании и разработке ТАЭ способов и методик: неразрушающего определения предела прочности при сжатии образцов скальных горных пород; выявления наличия и оценки местоположения трещиновидных дефектов в образцах этих горных пород и цензурирования их выборки относительно указанных дефектов; качественной оценки окисленности каменного угля на образцах. Выявленные закономерности термостиму-лированной акустической эмиссии горных пород позволяют в перспективе решать с их использованием задачи: определения предела длительной прочности в каменных солях и оценки нагрузки начала дилатансии в mix; определения вещественного состава; оценки средних размеров зерна горных пород.

Структура и объел! работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения, изложенных на 141 странице, содержит 33 рисунка, 5 таблиц, список использованной литературы из 130 наименований.

Автор выражает искреннюю благодарность своему научному руководителю д.т.н., проф. Шкурат�

Информация о работе

Новиков, Евгений Александрович
кандидата технических наук
Москва, 2013
ВАК 25.00.16

Диссертация

Закономерности термостимулированной акустической эмиссии в горных породах и разработка способов геоконтроля на их основе - тема диссертации по наукам о земле, скачайте бесплатно

Автореферат

Закономерности термостимулированной акустической эмиссии в горных породах и разработка способов геоконтроля на их основе - тема автореферата по наукам о земле, скачайте бесплатно автореферат диссертации

Похожие работы