Обоснование и разработка методов и средств контроля напряжений в массиве на основе эффектов памяти в композиционных материалах

Николенко, Петр Владимирович

Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему
Обоснование и разработка методов и средств контроля напряжений в массиве на основе эффектов памяти в композиционных материалах
ВАК РФ 25.00.20, Геомеханика, разрушение пород взрывом, рудничная аэрогазодинамика и горная теплофизика

Автореферат диссертации по теме "Обоснование и разработка методов и средств контроля напряжений в массиве на основе эффектов памяти в композиционных материалах"

На правах рукописи

005052008

НИКОЛЕНКО Петр Владимировичу^Ш-

ОБОСНОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ И СРЕДСТВ КОНТРОЛЯ НАПРЯЖЕНИЙ В МАССИВЕ НА ОСНОВЕ ЭФФЕКТОВ ПАМЯТИ В КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛАХ

Специальность 25.00.20 - «Геомеханика, разрушение горных пород, рудничная аэрогазодинамика и горная теплофизика»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

18 АПР 2013

Москва 2013

005052008

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО Московский государственный горный университет

Научный руководитель

доктор технических наук, профессор ШКУРАТНИК Владимир Лазаревич

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор БАКЛАШОВ Игорь Владимирович, профессор кафедры ФГПиП МГТУ;

кандидат технических наук АВЕРИН Андрей Петрович, старший научный сотрудник ИПКОН РАН

Ведущая организация:

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

Защита диссертации состоится 24 апреля 2013 г. в ч. мин. на заседании диссертационного совета Д-212.128.05 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 22 марта 2013г.

Ученый секретарь диссертационного совета докт. техн. наук

МЕЛЬНИК В.В.

Общая характеристика работы

Актуальность работы. Наличие надежной информации о напряженно-деформированном состоянии (НДС) массива и его динамике во времени и пространстве является необходимым условием эффективного и безопасного ведения горных работ, строительства и эксплуатации подземных сооружений различного назначения. Именно поэтому получение указанной информации всегда рассматривалось в качестве одной из приоритетных задач экспериментальной геомеханики. Несмотря на имеющийся многолетний положительный опыт использования для решения этой задачи широкого спектра геологических, геомеханических и геофизических методов, все они не лишены серьезных недостатков и по ряду показателей не отвечают постоянно возрастающим требованиям практики, что стимулирует поиск новых, нетрадиционных методов измерения напряжений.

В рамках такого поиска относительно недавно получил развитие метод контроля НДС на основе акустико-эмиссионного эффекта памяти (АЭЭП) в горных породах, заключающийся в невоспроизводимости акустической эмиссии (АЭ) при их циклическом нагружении с возрастающим от цикла к циклу напряжением и скачкообразным увеличением параметров АЭ в момент достижения напряжением максимального испытанного ранее уровня.

Такие достоинства указанного метода, как широкий круг решаемых задач контроля НДС, относительная простота реализации, потенциальная точность получаемых оценок и ряд других, сегодня уже не вызывают сомнений. В то же время имеющаяся практика его использования свидетельствует о том, что результаты определения параметров НДС на основе АЭЭП существенно критичны к естественной для горных пород неоднородности различной физической природы, что неизбежно приводит к потере точности и надежности соответствующего контроля. Как показал предварительный анализ, указанный недостаток может быть преодолен, если использовать для целей геоконтроля АЭЭП не в самих горных породах, а в помещаемых в исследуемую область массива композиционных материалах, которые при этом становятся своеобразными датчиками напряжений. Этот принципиально новый подход к применению АЭЭП для оценки НДС массива требует проведения специальных исследований, направленных на выявление закономерностей формирования и проявления рассматриваемого эффекта в композиционных материалах, а также разработку аппаратурного и методического обеспечения соответствующего метода контроля. Таким образом, обоснование и разработка методов и технических средств контроля напряжений в массиве горных пород на основе закономерностей формирования и проявления акустико-

эмиссионного эффекта памяти в композиционных материалах, помещаемых в исследуемую область массива, является актуальной научной задачей.

Настоящая работа проводилась в рамках Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 20092013 гг. по теме «Разработка акустико-эмиссионного метода и средств прогноза критических напряжений в окрестностях горных выработок для предотвращения чрезвычайных ситуаций при ведении горных работ» (Соглашение № 14.В37.21.0671).

Цель работы состоит в экспериментальном установлении закономерностей формирования и проявления акустико-эмиссионного эффекта памяти в композиционных материалах при их механическом нагружении, обосновании и разработке на этой основе методов и технических средств контроля напряжений в породном массиве.

Идея работы заключается в использовании для определения количественных параметров напряженно-деформированного состояния акустико-эмиссионного эффекта памяти в композиционных материалах, помещаемых в исследуемую область массива.

Основные научные положения, выносимые на защиту:

1. При добавлении в эпоксидную смолу с отвердителем заполнителя в виде зерен кварцевого песка образуется композиционный материал, который после размещения в скважине и отвердения способен «запоминать» информацию о величине и направлении максимального напряжения в массиве, действующего в плоскости, ортогональной оси скважины. Эта информация сохраняется в извлеченном из массива и состоящем из указанного материала керне в течение не менее 7 суток и может быть получена при его тестовых механических испытаниях по проявлениям акустико-эмиссионного эффекта памяти, наиболее четкий характер которого имеет место при размерах заполнителя около 0,2 мм и его относительном объеме порядка 40%.

2. Сохранность акустико-эмиссионной памяти в текстолите марки ПТК составляет 30 суток и не зависит от длительности приложения установочной нагрузки. Это позволяет после предварительного нагружения до заранее заданного уровня напряжений использовать его в качестве чувствительного элемента датчика-сигнализатора достижения критического напряжения в конструктивных элементах систем разработки.

зоне частот от 70 до 110 кГц. Относительно незначительный уровень акустических помех окружающего массива в этом диапазоне в сочетании с использованием полосовой фильтрации обусловливает перспективность применения пьезокерамики в качестве чувствительного элемента помехозащищенного датчика-сигнализатора критических напряжений в контролируемой области массива.

4. Для интерпретации результатов контроля напряжений на основе акустико-эмиссионного эффекта памяти следует использовать алгоритм, включающий получение зависимости суммарного счета акустической эмиссии от напряжения и построение графика кривизны этой зависимости, максимум которого соответствует величине искомого напряжения в массиве. При этом указанный алгоритм оказывается эффективным даже при малом количестве зарегистрированных импульсов акустической эмиссии.

Обоснованность и достоверность положений, выводов и рекомендаций подтверждаются:

- хорошей воспроизводимостью полученных закономерностей проявления АЭЭП в исследуемых композиционных материалах при лабораторных испытаниях на статистически значимом количестве образцов (более 20 для каждого материала и режима нагружения);

- непротиворечивостью полученных закономерностей проявления АЭЭП в исследованных композиционных материалах и результатов, прогнозируемых на основе разработанных ранее теоретических моделей, объясняющих указанный эффект;

- качественным совпадением основных закономерностей проявления АЭЭП при проведении исследований в лабораторных и натурных условиях, а также относительно высокой точностью (с погрешностью, не превышающей 10%) определения напряжений предлагаемыми методами;

- использованием для акустико-эмиссионных измерений современной аппаратуры, обладающей высокими метрологическими характеристиками.

Методы исследований, использованные в диссертационной работе:

- анализ и обобщение существующих методов контроля напряженно-деформированного состояния породного массива, в частности, основанных на акустико-эмиссионных эффектах памяти;

- экспериментальные лабораторные и натурные исследования закономерностей проявления АЭЭП в композиционных материалах;

- компьютерное моделирование отдельных технологических параметров контроля напряжений на основе АЭЭП в композиционных материалах;

- аналитические исследования интерпретации акустико-эмиссионных данных, получаемых в результате контроля с использованием АЭЭП.

Научная новизна работы заключается:

- в установлении закономерностей проявления АЭЭП в таких композиционных материалах, как эпоксидная смола с отвердителем и кварцевым заполнителем, текстолит ПТК и пьезокерамика;

- в разработке алгоритма интерпретации акустико-эмиссионных измерений, направленного на выявление конкретного момента проявления акустико-эмиссионного эффекта памяти в композиционных материалах, эффективность которого сохраняется даже при малом количестве экспериментальных данных;

- в разработке метода контроля НДС массива горных пород на основе аку-стико-эмиссионного эффекта памяти в эпоксидной смоле с отвердителем и кварцевым заполнителем, позволяющего получать достоверную информацию о направлении действия и абсолютном значении максимального напряжения, действующего в плоскости, ортогональной оси измерительной скважины;

- в разработке метода контроля критических напряжений на основе акусти-ко-эмиссионного эффекта памяти в текстолите ПТК (а также его помехозащи-щенного варианта на основе акустико-эмиссионного эффекта памяти в пьезокера-мике), позволяющего получать сигнальную информацию о достижении в массиве пород заранее установленного критического значения напряжения по одному из направлений.

Научное значение работы заключается в установлении закономерностей проявления акустико-эмиссионного эффекта памяти в таких композиционных материалах, как текстолит ПТК, эпоксидная смола с отвердителем и кварцевым заполнителем, пьезокерамика, а также в разработке метода интерпретации акусти-ко-эмиссионных данных, позволяющего надежно выявлять момент проявления эффекта памяти даже при малом количестве экспериментальных отсчетов.

Практическое значение работы. В рамках диссертации созданы «Методические рекомендации по проведению контроля напряжений в окрестностях горных выработок на основе акустико-эмиссионного эффекта памяти в композиционных материалах», которые переданы для практического использования в ГИ КНЦ РАН, ГИ УрО РАН, ИГД ДВО РАН, ИГД СО РАН, ИПКОН РАН, МГГУ. Результаты диссертационной работы вошли в качестве раздела в учебное пособие «Методы определения напряженно-деформированного состояния массива горных пород», рекомендованное УМО вузов Российской Федерации по образованию в области горного дела студентам вузов, обучающимся по специальности «Физические процессы горного или нефтегазового производства».

Апробация работ. Основные положения диссертации докладывались на научных симпозиумах «Неделя горняка» (Москва, 2010, 2013 гг.) и XXV Сессии Российского акустического общества (Таганрог, 2012). Результаты исследований автора, проведенных в рамках диссертационной работы, были отмечены грантом Американского акустического общества.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 научных работ, в том числе 3 патента на изобретения.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения, изложенных на 141 странице, содержит 60 рисунков, 13 таблиц и список литературы из 72 источников.

Основное содержание работы

В рамках работы проведен анализ, систематизация и обобщение существующих методов и средств контроля напряженно-деформированного состояния (НДС) массива горных пород. Дана краткая характеристика наиболее широко применяющихся геологических, геомеханических и геофизических методов оценки НДС, проведен анализ их основных достоинств и недостатков. Показано, что одним из наиболее перспективных методов контроля напряжений в массиве является метод, основанный на применении акустико-эмиссионного эффекта памяти (АЭЭП) в горных породах, заключающийся в невоспроизводимости параметров акустической эмиссии (АЭ) в процессе нагружения при напряжениях, меньших максимально достигнутого ранее значения напряжения. Суть метода, основанного на АЭЭП в геоматериалах, в большинстве случаев сводится к извлечению из массива образцов горных пород и их последующему механическому испытанию с одновременной регистрацией различных параметров АЭ. При этом достигается относительно высокая точность определения направлений и абсолютных значений напряжений, действующих в массиве.

Наряду с очевидными достоинствами для методов, основанных на АЭЭП в горных породах, характерен ряд недостатков, среди которых выделяется невысокая повторяемость результатов экспериментальных измерений напряжений, связанная с широким разбросом свойств горных пород в зоне проведения контроля. Кроме того, естественная трещиноватость массива зачастую значительно осложняет процесс изготовления пригодных для лабораторных тестов образцов. В некоторых сильнотрещиноватых массивах изготовление качественных образцов зачастую вообще невозможно. Помимо низкой повторяемости результатов измерений для традиционного варианта метода, основанного на АЭЭП, характерна высокая трудоемкость проведения натурных и лабораторных экспериментов.

Проведенный в рамках первой главы анализ методов контроля напряженно-деформированного состояния породного массива позволил сделать следующие выводы:

- определение напряженно-деформированного состояния породных массивов является важнейшей задачей практической геомеханики и необходимым условием эффективного и безопасного освоения недр;

- существующие на сегодняшний день геомеханические и геофизические методы оценки НДС массива обладают высокой трудоемкостью проведения измерений, а также сравнительно низкой точностью определения абсолютных значений действующих в породном массиве напряжений;

- методы оценки напряжений на основе эффектов памяти в образцах горных пород, являющиеся потенциально наиболее перспективными с точки зрения многообразия решаемых задач контроля и точности определения параметров, характеризующих НДС массива, обладают низкой повторяемостью результатов измерений, связанной с высокой степенью неоднородности пород, слагающих массив.

Эти выводы, с учетом указанной выше цели работы, позволяют сформулировать следующие основные ее задачи:

1. Экспериментально установить закономерности проявления акустико-эмиссионного эффекта памяти в таких композиционных материалах, как текстолит ПТК, эпоксидная смола с отвердителем и кварцевым заполнителем и пьезоке-рамика.

2. Разработать и обосновать метод и технические средства определения НДС массива на основе АЭЭП в эпоксидной смоле с отвердителем и кварцевым заполнителем.

3. Разработать и обосновать метод и технические средства мониторинга критических напряжений на основе АЭЭП в текстолите ПТК.

4. Разработать и обосновать помехозащищенный метод и технические средства контроля критических напряжений в окрестностях горных выработок

5. Разработать метод интерпретации акустико-эмиссионных данных, позволяющий определять момент проявления АЭЭП при малом количестве экспериментальных отсчетов.

6. Подтвердить работоспособность и оценить характеристики разработанных методов и средств контроля НДС массива по результатам натурного эксперимента.

ров A.B., Леонтьев A.B., Козырев A.A., Опарин В.Н., Панин В.И., Турчанинов И.А., Шемякин Е.И., Шкуратник В.Л., Ямщиков B.C., Hardy, H.R.Jr., Kaiser J., Kanagawa T., Mogi К. и др.

В рамках диссертационной работы представлены результаты экспериментального исследования закономерностей проявления АЭЭП в рассматриваемых композиционных материалах.

Предварительные лабораторные тесты показали, что применение серийно выпускаемого прессового оборудования для механических испытаний образцов композиционных материалов при параллельной регистрацией акустической эмиссии оказывается невозможным из-за высокого уровня акустических помех, возникающих в процессе работы такого оборудования. Отмеченное обусловило необходимость создания специализированного лабораторного стенда для испытаний образцов композиционных материалов.

В состав стенда вошел специально сконструированный рычажно-механический пресс и выпускаемый серийно акустико-эмиссионный измерительный комплекс A-Line 32D. При этом рычажно-механический пресс, в силу примененных конструктивных решений, не вызывает образования акустических помех как на стадии нагружения, так и в процессе поддержания заданной нагрузки. Основные характеристики разработанного стенда представлены в табл. 1.

Таблица 1.

Основные характеристики разработанного стенда

Параметр Значение

Диапазон развиваемой нагрузки, кН 0-40

Длительность поддержания заданного уровня нагрузки, ч. Не ограничена

Управление нагрузкой Ручное

Погрешность измерения нагрузки, Н ± 5 Н

Регистрируемые параметры АЭ Аетивность, сумма импульсов, счет, суммарный счет, энергия импульсов, амплитуда импульсов, длительность импульсов

Форма записи акустико-эмиссионных и тензометри-ческих данных Цифровая, в формате соответствующих программных пакетов

Уровень механических шумов при закреплении преобразователя на стальной имитации образца, дБ = 0

Разработанный стенд позволил провести лабораторные исследования закономерностей проявления АЭЭП в композиционных материалах, обеспечивая высокую достоверность полученных результатов.

АЭЭП в эпоксидной смоле после перехода ее в твердое состояние (в результате смешивания с отвердителем) не проявляется, что проверено экспериментально и связано с отсутствием значимых дефектов структуры. В то же время при до-

бавлении в эпоксидную смолу в качестве наполнителя кварцевого песка синтезируется материал, в котором АЭЭП имеет место.

Основными закономерностями проявления АЭЭП в эпоксидной смоле с отвердителем и кварцевым заполнителем, выявленными на стадии лабораторных исследований стали: длительность сохранности АЭ «памяти»; влияние угла между направлениями приложения установочной и тестовой нагрузок на качество проявления АЭЭП; влияние крупности и количества кварцевого заполнителя на проявления АЭЭП в указанном материале.

Результатом серии лабораторных экспериментов стало выявление следующих закономерностей проявления АЭЭП в эпоксидной смоле с отвердителем и кварцевым заполнителем:

- длительность акустико-эмиссионной «памяти» в указанном материале составляет не менее 7 суток;

- при изменении направления приложения тестовой нагрузки относительно направления установочного нагружения на угол > 15° АЭЭП в исследуемом материале не проявляется;

- наиболее четкий характер проявления АЭЭП в эпоксидной смоле с отвердителем достигается при размерах заполнителя около 0,2 мм и его относительном объеме порядка 40%.

Пример проявления АЭЭП в эпоксидной смоле с отвердителем и кварцевым заполнителем приведен на рис.1.

200

150

100

А*, ед./сек.

лАА А ,1 1 1

2000

1500

1000

500

А', ед.

Р, МП а

Рис. 1. Проявление АЭЭП в образце эпоксидной смолы с кварцевым заполнителем после ее отвердения на примере скорости счета АЭ (а) и суммарного счета АЭ (б) (пунктиром отмечен максимум нагрузки установочного цикла)

Результаты лабораторных экспериментов по определению влияния крупности и количества заполнителя на качество проявления АЭЭП в эпоксидной смоле с отвердителем и кварцевым заполнителем представлены в табл. 2.

Таблица 2.

Влияние размеров н количества заполнителя на качество проявления АЭЭП в эпоксидной смоле с кварцевым заполнителем

Информативные параметры Серии образцов

Крупность- 0.2 мм. Объемная доля по отношению к эпоксидной смоле 1/5 Крупность 0.45-0.2 мм. Объемная доля по отношению к эпоксидной смоле - 1/5 Крупность 0.2 мм. Объемная доля по отношению к эпоксидной смоле - 2/5 Крупность 0.45-0.2 мм. Объемная доля по отношению к эпоксидной смоле -2/5

Относительная погрешность воспроизведения АЭЭП, % 3,8 6,3 Ь2 4,1

Следует также отметить, что добавление определённого количества кварцевого заполнителя приводит к упрочнению синтезированного композиционного материала, что в конечном итоге позволяет производить контроль НДС в массивах, сложенных породами с большим модулем упругости (до 50 ГПа). Условием упрочнения композитного материала с помощью дисперсионного макрозаполнителя является его объемное содержание не менее 25% от объема вмещающей матрицы, что выполняется при концентрации кварцевого песка 2/5.

В лабораторных тестах исследовался также текстолит марки ПТК. Высокая механическая прочность и удобство технологической обработки делает указанный материал перспективной основой метода контроля критических напряжений в массивах, сложенных породами с большим модулем упругости.

Основными закономерностями проявления АЭЭП в текстолите марки ПТК стали: длительность сохранности АЭ «памяти»; влияние угла между направлениями приложения установочной и тестовой нагрузкой на качество проявления АЭЭП; влияние длительности установочного нагружения на качество сформированной АЭ «памяти».

В результате соответствующих исследований было выявлено следующее:

- длительность сохранности АЭ «памяти» в текстолите ПТК составляет не менее 30 суток;

- аналогично эпоксидной смоле с кварцевым заполнителем минимально выявляемый угол между направлением приложения установочного и тестового нагружения равен 15°;

- в отличие от горных пород (например, мрамор Кибик-Кордонского месторождения) длительность установочного нагружения не оказывает существенного влияния на качество проявления акустико-эмиссионного эффекта памяти в исследованном материале. Иллюстрация установленной закономерности приведена на рис. 2.

Текстолит ПТК

К е>д,1сек. 50

Л'Г = 1с.

и. А* «Мл<У А Л.1

40 Р, МПа

Ц гЫсек. М™ = 24ч.

40 Р, Ша

Мрамор Кибик-Кордонского _месторождения_

Н едЛек. 20

Л>Г = 1с.

р шЛ

м 4|к Ы1 м

гЬЛек.

20 30 Д'Г = 24ч.

40 Р, Ша

-— Й

40 р, Ша

Рис. 2. Зависимость качества проявления АЭЭП от длительности выдержки под нагрузкой в установочном цикле (пунктиром отмечен максимум нагрузки установочного цикла)

Еще одним материалом, исследованным в лабораторных условиях, являлась пьезокерамика. Основной отличительной особенностью такого материала является то, что образование АЭ импульсов и их механоэлектрическое преобразование происходит в одном и том же пьезоэлементе, что в перспективе позволит добиться повышения помехоустойчивости метода контроля критических напряжений.

По результатам серии лабораторных испытаний были установлены следующие закономерности проявления АЭЭП в пьезокерамике:

- длительность сохранности АЭ «памяти» в пьезокерамике составляет не менее 7 суток;

- АЭЭП в пьезокерамике характеризуется скачкообразным ростом числа импульсов акустической эмиссии, максимум спектральной плотности которых не зависит от размеров образца и лежит в диапазоне частот от 70 до 110 кГц.

Пример проявления АЭЭП в пьезокерамике и характерная спектральная характеристика АЭ сигнала в момент проявления указанного эффекта представлены на рис. 3.

100 80

60 1

40 20

N. ед./с.

Р кг

' 3000 Плотность знерпш,Дж*10-'

2000

1000

120 90 60 30

!, :.. 1

100

200 Г, С

100

200 Частота, кГц

Рис. 3. Пример проявления АЭЭП в образце пьезокерамики (а) и характерная спектральная характеристика АЭ сигнала (б): 1 — нагрузка на образец; 2 — график счета АЭ; 3 — уровень установочной нагрузки в предшествующем цикле

нагружения

В диссертации обоснованы и разработаны методы контроля НДС массива, основанные на закономерностях АЭЭП в композиционных материалах, выявленных в процессе лабораторных исследований.

Предлагаются два принципиально разных подхода к контролю НДС с использованием АЭЭП в композиционных материалах.

Первый подход заключается в размещении композиционного материала в контролируемой области массива и последующем получении информации о параметрах НДС по результатам тестовых механических испытаний извлеченных композиционных кернов.

Суть метода контроля НДС массива сводится к следующему. В его контролируемой области бурится измерительный шпур, в котором на заданной глубине размещается эластичная капсула, заполненная эпоксидной смолой с отвердителем и заполнителем в жидком состоянии. Эластичность капсулы обеспечивает плотный контакт композиционного материала со стенками измерительного шпура.

При размещении капсулы производится ее угловая ориентация путем совмещения отметки горизонтали на торце капсулы с горизонтальным направлением горной выработки. После полной полимеризации смолы сформированный композиционный цилиндр начинает воспринимать нагрузку, вызываемую деформацией стенок шпура, в результате чего в указанном цилиндре формируется АЭЭП. Деформация контура шпура вызывается ползучестью горных пород, слагающих массив, а также перераспределением напряжений вследствие ведения горных работ вблизи контролируемого участка.

По прошествии времени, необходимого для полимеризации смолы и завершения деформационных процессов вокруг шпура, эластичная капсула извлекается из массива с применением колонкового бурения.

Извлеченный из шпура цилиндр из композиционного материала освобождается от оболочки, и на его боковые поверхности наносится отметка горизонтали. Полученный цилиндр разрезается перпендикулярно его оси на п одинаковых по толщине дисков, при этом разрезание цилиндра следует производить высококачественным алмазным режущим инструментом с целью снижения влияния процесса резания на сформированный в композите АЭЭП.

Полученные цилиндры нумеруют и поочередно нагружают вдоль диаметра с использованием стальных пуансонов, при этом каждый последующий диск поворачивают на угол у = 180° / п относительно отметки горизонтали. Схема нагру-жения образцов представлена на рис. 4.

у = 90°

у= 1807 п

7 = 0

СТ wVVVVVV • • •

Рис.4. Схема нагружения образцов композиционных материалов

В процессе нагружения производится регистрация различных параметров акустической эмиссии. В момент достижения в образцах максимальных значений напряжений, испытанных ранее в процессе деформации измерительного шпура, в них проявляется АЭЭП, заключающийся в резком всплеске параметров АЭ. Параметры, характеризующие качество такого всплеска, будут меняться от образца к образцу, при этом в случае совпадения направления установочной и тестовой нагрузки всплеск будет наиболее ярко выраженным, а во всех остальных случаях всплеск будет неявным или вообще неразличимым. Таким образом, измеряя угол между отметкой горизонтали и направлением приложения тестовой нагрузки для

образца с наиболее ярко выраженным всплеском параметров АЭ, можно определить направление действия максимального напряжения, действующего в плоскости, ортогональной оси измерительного шпура. Основываясь на результатах проведенных экспериментальных исследований можно утверждать, что разрешающая способность метода при определении направления действия такого напряжений будет составлять 15 градусов.

Абсолютное значение напряжения, создаваемого прессовым оборудованием в образце в момент проявления АЭЭП в нем, будет равно абсолютному значению максимального напряжения, действующего в соответствующем направлении в исследуемой области массива пород.

Проведенное в среде Согшо1 Ми^РЬувкз у.3.5а компьютерное моделирование основных этапов реализации метода позволило уточнить следующие технологические параметры проведения контроля:

- с целью уменьшения влияния концентраций напряжений в краевых областях эпоксидного цилиндра на формирование в нем АЭЭП его длина должна минимум в два раза превосходить диаметр;

- с целью уменьшения искажений поля напряжений, вызванных близостью к торцу измерительного шпура, расстояние от указанного торца до эластичной капсулы не должно быть меньше 2-КЗ диаметров шпура.

Алгоритм реализации метода контроля напряжений на основе АЭЭП в эпоксидной смоле с отвердителем и заполнителем представлен на рис. 5.

Принципиально иным можно считать подход к контролю напряжений, обеспечивающий получение информации о превышении в массиве некоторого заранее заданного критического уровня напряжений. Своевременное получение такой информации позволяет прогнозировать опасные динамические явления в конструктивных элементах систем разработки при перераспределении горного давления под влиянием техногенных воздействий.

Суть метода контроля критических напряжений в массиве, основанного на применении эффектов памяти в текстолите, сводится к следующему. В лабораторных условиях изготавливается цилиндрический образец из текстолита ПТК с центральным отверстием. Отверстие служит для размещения в нем стального волновода, предназначенного для передачи акустического сигнала от текстолита к преобразователю акустической эмиссии. Указанный образец с закрепленным в нем волноводом подвергают установочному нагружению до уровня напряжений, при достижении которого в массиве требуется произвести соответствующую сигнализацию. После выдержки под давлением в течение не менее одного часа нагрузку снимают.

Бурение ■ измерительного шпура

Размещение капсулы, заполненной жидким

композитом (а), Установка пакеров и закачка композита в образовавшуюся полость (б)

Испытание дисков с изменением угла между отметкой горизонтали и

направлением приложения тестового нагружения от образца к образцу Ч,_/

Разрезание полученного керна на равные диски с сохранением на их боковых поверхностях отметки горизонтали

Завершение полимеризации эпоксидной смолы и деформаций массива

Выбуривание эпоксидного керна колонковым бурением

Выбор образца, которому соответствует наиболее четкое проявление АЭЭП. Определение направления и абсолютного значения действия максимального напряжения в плоскости, ортогональной оси шпура

Рис.5. Алгоритм реализации метода контроля напряжений на основе АЭЭП в эпоксидной смоле с отвердителем и кварцевым заполнителем

В условиях шахтных измерений подготовленный образец размещают в измерительной скважине, пробуренной в направлении одного из главных напряжений. Для обеспечения наилучшего контакта с окружающей породой образец фиксируют распорным устройством. На противоположном от текстолита конце волновода закрепляют преобразователь акустической эмиссии, подключенный к автономному портативному электронно-измерительному блоку.

При достижении в массиве некоторого критического уровня напряжений (равного уровню, заданному при установочном цикле нагружения текстолита) в подготовленном образце проявляется акустико-эмиссионный эффект памяти, заключающийся в резком всплеске счета акустической эмиссии. Такой всплеск через волновод воспринимается преобразователем и анализируется электронным блоком. При превышении заранее определенного порога производится световая или звуковая сигнализация.

Описанный выше метод обладает малой трудоемкостью и сравнительно высокой точностью определения критических напряжений (погрешность воспроизведения акустико-эмиссионного эффекта памяти не превышает 10%). Высокие прочностные свойства текстолита ПТК, а также длительная сохранность в нем АЭ «памяти» позволяют использовать данный материал при мониторинге критиче-

ских напряжений в массивах, сложенных горными породами высокой прочности. Алгоритм реализации метода контроля критических напряжений на основе АЭЭП в текстолите представлен на рис. 6.

Установочное нагружение текстолитового образца в лабораторных условиях

Закрепление образца в шпуре с помощью распорного устройства

Закрепление преобразователя АЭ

Присоединение металлического волновода

Подключение и настройка электронного блока анализа АЭ данных

Начало мониторинга

Фиксация срабатывания датчика-сигнализатора. Проверка экспортированных данных

Рис. 6. Алгоритм реализации метода контроля критических напряжений на основе

АЭЭП в текстолите

С целью повышения помехозащищенности описанного метода возможно в качестве активного элемента датчика давления использовать пьезоэлектрические элементы. Как было показано ранее, максимум спектральной плотности сигналов АЭ, проявляющихся в момент проявления АЭЭП в пьезокерамике, находится в диапазоне от 70 до 110 кГц, что позволяет применять узкополосную фильтрацию с целью отсечения характерных для массива низкочастотных помех. Для фильтрации АЭ сигналов предлагается использовать полосовой фильтр Баттерворта 15-го порядка. На примере характерного сигнала АЭ показано, что применение указанной фильтрации позволяет довести первоначальное соотношение сигнал-шум, равное 1/1, до приемлемого для дальнейшей обработки сигнала соотношения, равного 2/1.

Получение надежной информации о напряженно-деформированном состоянии породного массива с использованием АЭЭП в композиционных материалах невозможно без корректной интерпретации АЭ данных. Суть такой интерпретации сводится к определению точного момента проявления акустико-

эмиссионного эффекта памяти и соответствующего этому моменту напряжения Р* на основе анализа зависимости суммарного счета АЭ от напряжений. Проведенный анализ существующих методов интерпретации показал, что разработанные на сегодняшний день методы обладают высокой долей субъективности, а также малоэффективны при анализе данных, представленных малым количеством АЭ импульсов.

В рамках работы предложен новый алгоритм интерпретации АЭ данных, основанный на анализе кривизны отмеченной выше зависимости суммарного счета АЭ N от напряжений Р. Суть алгоритма сводится к следующему. На участке экспериментальной кривой выбирается базисная точка Рею, от которой в положительную и отрицательную сторону откладываются равные отрезки +п/2 и -п/2, формируя тем самым окно расчета кривизны величиной п. Зная соответствующие указанным точкам значения N¡ и N}, можно построить треугольник АБС с вписанной в него окружностью радиуса R. Общий вид построений показан на рис. 7.

Р6аз-п12 Рба, Ре„+п/2

Рис. 7. Схема построений при реализации метода определения момента

проявления АЭЭП

Далее радиус Я вписанной окружности рассчитывается с использованием известных аналитических выражений во всем диапазоне экспериментальных значений, в результате чего строится зависимость указанного радиуса от напряжений Р. По максимуму графика Я(Р) можно определить точку максимальной кривизны экспериментальной кривой, соответствующую точке проявления АЭЭП в исследуемом материале. Пример применения разработанного алгоритма для анализа реальных экспериментальных данных приведен на рис. 8.

N, со б.

Р, МПа

Д ед.

О --и Г--!-

10 20 30Р" 40 Р,МПа

Рис. 8. Определение момента проявления АЭЭП по максимуму графика 7?(Р)

р>

Предложенный метод обладает рядом достоинств, связанных с тем, что определение точки проявления АЭЭП производится с использованием непреобра-зованных данных (не используется сглаживание или аппроксимация), что критически важно для снижения погрешности определения Р* при малом количестве экспериментальных точек.

К недостаткам метода можно отнести проблему выбора величины п окна расчета кривизны. При этом стоит отметить, что некорректный выбор значения п приведет не к снижению точности метода, а к невозможности определения точки Р* как таковой.

Реализация разработанных методов предусматривает использование специального аппаратурного обеспечения. В работе представлено описание разработанного аппаратурного обеспечения контроля, а также результаты натурных испытаний разработанных методов и средств контроля напряжений в массиве горных пород.

К аппаратурному обеспечению метода контроля напряженного состояния массива на основе АЭЭП в эпоксидной смоле с кварцевым заполнителем относятся эластичная капсула и комплект досылочных штанг. В качестве материалов для изготовления капсулы были выбраны экструдированный пенополистирол и эластичная резина толщиной 0.2 мм. Такие материалы обеспечивают высокую эластичность указанной капсулы, а также гарантируют отсутствие влияния конструктивных элементов капсулы на распределение напряжений в системе «эпоксидный цилиндр - массив». Геометрические параметры капсулы выбирались с учетом технологических параметров, обоснованных результатами компьютерного моделирования, проведенного в рамках третьей главы.

К аппаратурному обеспечению метода контроля критических напряжений относятся: образец, изготовленный из текстолита ПТК, расклинивающее устройство, металлический волновод, преобразователь акустической эмиссии и специально разработанный электронный блок анализа АЭ данных.

Текстолитовый образец является по сути первичным преобразователем давления, в котором формируется и проявляется АЭЭП. Для жесткой фиксации образца в измерительном шпуре предназначено расклинивающее устройство, представляющее собой систему стальных клиньев, обеспечивающих плотный прижим образца к стенкам шпура и непрерывность деформаций в системе «образец - массив». Металлический волновод предназначен для передачи сигнала от образца к преобразователю АЭ. В качестве преобразователя АЭ использовался серийно выпускаемый датчик резонансного типа GT-200, который позволяет регистрировать акустические импульсы в полосе частот от 100 до 180 кГц, что соответствует частотам АЭ, возникающей в момент проявления АЭЭП в текстолите ПТК.

Анализ зарегистрированных АЭ импульсов производится с помощью специально разработанного портативного электронного блока. Измеряемым параметром в нем является счет акустической эмиссии, т.е. количество превышений сигналом АЭ заранее заданного порога по амплитуде в единицу времени. Блок-схема устройства представлена на рис. 9.

Электронный блок позволяет регистрировать счет АЭ с настраиваемым периодом опроса, а также производить световую сигнализацию при превышении счетом АЭ заранее заданного порога. АЭ данные записываются на micro SD флэш-память и могут быть экспортированы в текстовый формат для дальнейшей обработки.

Первичный преобразователь давления в случае использования для контроля критических напряжений АЭЭП в пьезокерамике представляет собой секционированный пьезоэлемент, заключенный в стальной корпус. При этом формирование и проявление АЭЭП, а также механоэлектрическое преобразование АЭ сигналов происходит в одном и том же пьезоэлементе, что в сочетании с полосовой фильтрацией сигналов значительно повышает помехозащищенность контроля. Регистрация и обработка АЭ сигналов производится с применением портативного электронного блока, описанного выше.

В рамках четвертой главы разработаны методические рекомендации по контролю НДС массива на основе установленных закономерностей АЭЭП в исследованных композиционных материалах. В рекомендациях описываются основные принципы контроля, состав и описание применяемого оборудования, последовательность операций при проведении контроля, а также виды отчетности по результатам контроля.

Рис. 9. Блок-схема электронного устройства: 1 — узел предусиления и полосовой фильтрации, 2 — аналоговый компаратор, 3 - электронный потенциометр, 4 — микропроцессор, 5 - LCD дисплей, 6 - трехкнопочная клавиатура, 7 — внешняя флэш-

память

С целью подтверждения работоспособности разработанных методов контроля были проведены их натурные и лабораторные испытания.

Натурные испытания опытных образцов устройств контроля напряженно-деформированного состояния массива горных пород на основе АЭЭП в эпоксидной смоле с отвердителем и кварцевым заполнителем и текстолите марки ПТК проводились на руднике СКРУ-3 ОАО «Уралкалий».

Суть испытаний сводилась к натурному моделированию естественных деформационных процессов в области измерительного шпура с применением гидродомкрата Гудмана и гидроцилиндра. Использование искусственного возмущения поля напряжений, с одной стороны, позволило существенно увеличить скорость деформаций массива, а с другой - произвести оценку погрешности определения напряжений путем сравнения усилий, развиваемых гидродомкратом/гидроцилиндром, с данными, полученными в результате акустико-эмиссионного контроля.

По результатам натурных испытаний было установлено, что метод контроля НДС на основе АЭЭП в эпоксидной смоле с кварцевым заполнителем позволяет определять направление максимального напряжения, действующего в плоскости ортогональной оси измерительного шпура с абсолютной погрешностью, не превышающей 15 градусов, а также его абсолютное значение с относительной погрешностью в пределах 10%. По результатам натурных испытаний метода контроля критических напряжений, основанного на АЭЭП в текстолите ПТК, было установлено, что указанный метод позволяет производить сигнализацию о достижении в массиве заранее заданного уровня напряжений по одному направлению с относительной погрешностью, не превышающей 5%.

Наряду с натурными испытаниями были проведены лабораторные испытания метода контроля критических напряжений, основанного на АЭЭП в пьезоке-рамике. Суть испытаний сводилась к нагружению бетонного блока с моделью шпура, в котором закреплялся описанный выше первичный преобразователь давления. Нагружение производилось с использованием прессового оборудования INSTRON 300DX, при этом мероприятия по понижению акустических помех не производились. Анализ АЭ данных производился с использованием акустико-эмиссионного измерительного комплекса A-Line 32D. Для выделения акустических событий, соответствующих проявлению АЭЭП, только в преднагруженных пьезоэлементах была применена полосовая фильтрация с использованием фильтра Баттерворта в полосе частот от 70 до 110 кГц. Исходя из результатов лабораторных исследований закономерностей АЭЭП в пьезокерамике и результатов физического моделирования было установлено, что относительная погрешность определения абсолютной величины напряжений по заданному направлению с использованием метода, основанного на проявлении АЭЭП в пьезокерамике, не превышает 6%.

Заключение

В диссертации, представляющей собой научно-квалификационную работу, решена научная задача обоснования и разработки методов и технических средств контроля напряжений в массиве горных пород на основе закономерностей формирования и проявления акустико-эмиссионного эффекта памяти в композиционных материалах, помещаемых в исследуемую область массива, что позволяет повысить точность и надежность информации о ее состоянии, необходимой для эффективного и безопасного ведения горных и горно-строительных работ.

Основные научные результаты, выводы и рекомендации работы заключаются в следующем:

1. Установлено, что композиционный материал на основе эпоксидной смолы с отвердителем и кварцевым заполнителем обладает устойчивым АЭЭП, с длительностью «памяти» не менее 7 суток. При этом наиболее четкий характер эффекта имеет место при размерах заполнителя около 0,2 мм и его относительном объеме порядка 40% и зависит от степени совпадения направления приложения установочного и тестового одноосного нагружения.

2. Выявлено, что для такого композиционного материала, обладающего высокой механической прочностью и технологичностью обработки, как текстолит ПТК, характерен АЭЭП с длительностью «памяти» не менее 30 суток. При этом проявление АЭЭП в текстолите ПТК также зависит от степени совпадения направления приложения установочного и тестового одноосного сжатия.

3. Установлено, что в отличие от горных пород длительность установочного цикла нагружения не влияет на качество формирования АЭЭП в текстолите ПТК.

4. Установлено, что такой композиционный материал, как пьезокерамика, обладает устойчивым АЭЭП с длительностью «памяти» не менее 7 суток. При проявлении АЭЭП в указанном материале максимум спектральной плотности АЭ событий находится в диапазоне от 70 до 110 кГц и не зависит от размеров соответствующего образца.

5. Установлено, что информативными параметрами акустической эмиссии, наилучшим образом характеризующими проявление АЭЭП в исследованных композиционных материалах, являются счет и суммарный счет акустической эмиссии.

6. Разработан и обоснован метод контроля напряжений в массиве на основе АЭЭП в эпоксидной смоле с отвердителем и кварцевым заполнителем, позволяющий определять направление действия и абсолютное значение максимального напряжения, действующего в плоскости ортогональной оси измерительного шпура. При этом абсолютная погрешность определения направления не превышает 15 градусов, а относительная погрешность определения абсолютного значения указанного напряжения не превышает 10%.

7. Разработан и обоснован метод контроля критических напряжений в окрестностях горных выработок, основанный на АЭЭП в текстолите ПТК. Метод позволяет регистрировать превышение напряжениями по одному из направлений некоторого заранее заданного критического уровня. При этом максимально возможная длительность мониторинга составляет 30 суток, погрешность определения абсолютного значения напряжения не превышает 10%.

8. Разработан и обоснован помехозащищенный метод контроля напряжений на основе АЭЭП в пьезокерамике. Метод позволяет производить контроль критических напряжений в массивах, обладающих высоким уровнем собственных акустических помех, с относительной погрешностью, не превышающей 6%.

9. Разработан алгоритм интерпретации акустико-эмиссионных данных, позволяющий определять момент проявления АЭЭП по экспериментальной кривой суммарного счета АЭ. Основным достоинством алгоритма является высокая точность определения момента проявления АЭЭП при анализе данных с малым количеством экспериментальных отсчетов.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

работы, опубликованные в изданиях, рекомендованных ВАК РФ: 1. Шкуратник В.Л., Николенко П.В. О проявлениях эффекта Кайзера в пьезокерамике и возможности их использования в задачах геоконтроля // Горный инфор-

мационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал). - 2011. №4.-С. 146-151.

2. Шкуратник В.Л., Николенко П.В. Об использовании эффекта Кайзера в эпоксидной смоле с кварцевым наполнителем для оценки напряжений в массиве горных пород // Отдельный выпуск Горного Информационно-аналитического бюллетеня (научно-технического журнала). — М.: «Издательство «Горная книга». -2012. - № OBI. - С. 97-104.

3. Николенко П.В. Компьютерное моделирование способа оценки напряжений в массиве горных пород, основанного на эффекте Кайзера в композиционных материалах // Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал). —2012. - №5. - С. 385 - 389.

4. Шкуратник B.JL, Николенко П.В. Методика интерпретации акустико-эмиссионных измерений при использовании эффекта Кайзера для оценки напряженно-деформированного состояния массива горных пород // Горный журнал. - 2012. - №9. - С. 44-47.

5. Способ изготовления пьезоэлектрического датчика давления: пат. 2439514 Рос. Федерация МПК Е21С 39/00 / В.Л. Шкуратник, П.В. Николенко, А.Д. Рубан,

A.A. Кормнов; заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВПО МГГУ опубл. 10.01.2012 Бюл. №1.

6. Способ определения напряжений в массиве горных пород: заявка 2011137658/03 (056141), Рос. Федерация: МПК Е21С 39/00 / Шкуратник В.Л., Николенко П.В., Рубан А.Д., Кормнов A.A. (Рос. Федерация); заявитель ФГБОУ ВПО МГГУ; заявл. 14.09.2011; приоритет 14.09.2011 (Решение о выдачи патента на изобретение от 02.02.2013).

7. Способ определения изменения напряженного состояния горного массива: заявка 2011147713/03 (071550), рос. Федерация: МПК Е21С 39/00 / Шкуратник

B.Л., Николенко П.В., Корчак A.B. (Рос. Федерация) заявитель ФГБОУ ВПО МГГУ; заявл. 24.11.2011; приоритет 24.11.2011 (Решение о выдачи патента на изобретение от 04.02.2013).

работы, опубликованные в других изданиях:

8. Николенко П.В. Экспериментальное исследование эффекта Кайзера в некоторых композиционных материалах // Сборник трудов Научной конференции «Сессия Научного совета РАН по акустике и XXV сессия Российского акустического общества». T.I - М.: ГЕОС, 2012. - С. 337 - 340.

9. Шкуратник В.Л., Николенко П.В. Методы определения напряженно-деформированного состояния массива горных пород: Учебное пособие. -М.: МГГУ, 2012.-113 с.

Подписано в печать 20 марта 2013 Формат 60*90/16 Объем. 1 печ.л. Тираж 100 экз. Заказ № 1628

Отпечатано в ОИУП МГГУ, Ленинский проспект, 6

Текст научной работыДиссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Николенко, Петр Владимирович, Москва

Министерство образования и науки Российской Федерации

--<©>--

ФГБОУ ВПО

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ГОРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

04201355439

На правах рукописи

Николенко Петр Владимирович

25.00.20 - «Геомеханика, разрушение горных пород, рудничная аэрогазодинамика и горная теплофизика»

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

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

Москва, 2013

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ.......................................................................................................:......5

1 АНАЛИЗ СОВРЕМЕННОГО СОСТОЯНИЯ МЕТОДОВ И СРЕДСТВ КОНТРОЛЯ НАПРЯЖЕНИЙ В МАССИВЕ ГОРНЫХ ПОРОД.................11

1.1 Роль информации о напряженном состоянии массива пород для

обеспечения эффективности и безопасности горных работ, строительства и эксплуатации подземных сооружений.......................11

1.2 Современные методы контроля напряженно-деформированного

состояния массива горных пород............................................................13

1.2.1 Общая классификация методов оценки НДС массива....................13

1.2.2 Геологические методы оценки НДС массива горных пород..........14

1.2.3 Геомеханические методы оценки НДС массива горных пород......17

1.2.4 Геофизические методы оценки НДС массива горных пород..........24

1.3 Методы контроля на основе эффектов памяти в горных породах.........32

1.4 Выводы и постановка задач исследования...............................................37

2 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ ПРОЯВЛЕНИЯ АКУСТИКО-ЭМИССИОННОГО ЭФФЕКТА ПАМЯТИ В КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛАХ.................................................................................................40

2.1 Разработка установки для проведения экспериментальных исследований.............................................................................................40

2.2 Закономерности проявления акустико-эмиссионного эффекта памяти в эпоксидной смоле с кварцевым заполнителем......................45

2.3 Закономерности проявления акустико-эмиссионного эффекта памяти в текстолите марки ПТК............................................................50

2.4 Закономерности проявления акустико-эмиссионного эффекта памяти в пьезокерамике...........................................................................58

2.5 Выводы.........................................................................................................63

3 РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ КОНТРОЛЯ НДС МАССИВА, ОСНОВАННЫХ НА ПРИМЕНЕНИИ АКУСТИКО-ЭМИССИННОГО ЭФФЕККТА ПАМЯТИ В КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛАХ.................................................................................................65

3.1 Метод контроля напряжений на основе проявления АЭЭП в эпоксидной смоле с кварцевым заполнителем......................................65

3.2 Компьютерное моделирование реализации способа контроля напряжений на основе проявления АЭЭП в эпоксидной смоле с кварцевым заполнителем.........................................................................70

3.3 Метод контроля критических напряжений на основе проявления

АЭЭП в текстолите ПТК.........................................................................76

3.4 Метод контроля напряжений на основе проявления акустико-эмиссионного эффекта памяти в пьезокерамике...................................78

3.5 Обоснование алгоритма интерпретации акустико-эмиссионных

измерений при использовании АЭЭП для контроля напряжений в массиве горных пород.....................................................83

3.6 Выводы.........................................................................................................91

4 АППАРАТУРНОЕ И МЕТОДИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИе КОНТРОЛЯ НАПРЯЖЕНИЙ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ПРОВЕРКА ЕГО РАБОТОСПОСОБНОСТИ В НАТУРНЫХ УСЛОВИЯХ.......................................................................................................94

4.1 Аппаратурное обеспечение метода контроля напряжений на

основе АЭЭП в эпоксидной смоле с кварцевым заполнителем..........94

4.2 Аппаратурное обеспечение метода мониторинга критических уровней напряжений на основе АЭЭП в текстолите ПТК..................97

4.3 Первичный преобразователь напряжений на основе АЭЭП в пьезокерамике.........................................................................................104

4.4 Разработка методического обеспечения контроля напряженно-деформированного состояния массива пород с использованием АЭЭП в исследованных композиционных материалах......................105

4.4.1. Методические рекомендации по контролю НДС массива с использованием АЭЭП в эпоксидной смоле с отвердителем и кварцевым заполнителем.............................................................................105

4.4.2 Методические рекомендации по контролю НДС массива с использованием АЭЭП в текстолите ПТК.................................................109

4.4.3 Методические рекомендации по контролю НДС массива с использованием АЭЭП в пьезокерамике....................................................112

4.6 Испытания разработанных средств контроля напряженно-деформированного состояния массива горных пород........................115

4.6.1 Натурные испытания разработанного метода контроля НДС массива на основе АЭЭП в эпоксидной смоле с отвердителем и кварцевым заполнителем.............................................................................115

4.6.2 Натурные испытания разработанного метода контроля критических напряжений на основе АЭЭП в текстолите ПТК................124

4.6.3 Лабораторные испытания метода контроля критических напряжений на основе АЭЭП в пьезокерамике.........................................127

4.7 Выводы.......................................................................................................131

ЗАКЛЮЧЕНИЕ...................................................................................................133

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ................................................135

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. Наличие надежной информации о напряженно-деформированном состоянии (НДС) массива и его динамике во времени и пространстве является необходимым условием эффективного и безопасного ведения горных работ, строительства и эксплуатации подземных сооружений различного назначения. Именно поэтому получение указанной информации всегда рассматривалось в качестве одной из приоритетных задач экспериментальной геомеханики. Несмотря на имеющийся многолетний положительный опыт использования для решения этой задачи широкого спектра геологических, геомеханических и геофизических методов, все они не лишены серьезных недостатков и по ряду показателей не отвечают постоянно возрастающим требованиям практики, что стимулирует поиск новых нетрадиционных методов измерения напряжений.

мых в исследуемую область массива композиционных материалах, которые при этом становятся своеобразными датчиками напряжений. Такой принципиально новый подход к применению АЭЭП для оценки НДС массива требует проведения специальных исследований, направленных на выявление закономерностей формирования и проявления рассматриваемого эффекта в композиционных материалах, а также разработку аппаратурного и методического обеспечения соответствующего метода контроля. Отмеченное определяет актуальность настоящей диссертационной работы, которая проводилась в рамках Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 гг. по теме «Разработка акусти-ко-эмиссионного метода и средств прогноза критических напряжений в окрестностях горных выработок для предотвращения чрезвычайных ситуаций при ведении горных работ» (Соглашение № 14.В37.21.0671).

Основные научные положения, выносимые на защиту: 1. При добавлении в эпоксидную смолу с отвердителем заполнителя в виде зерен кварцевого песка образуется композиционный материал, который после размещения в скважине и отвердения способен «запоминать» информацию о величине и направлении максимального напряжения в массиве, действующего в плоскости, ортогональной оси скважины. Эта информация сохраняется в извлеченном из массива и состоящем из указанного материала керне в течение не менее

7 суток и может быть получена при его тестовых механических испытаниях по проявлениям акустико-эмиссионного эффекта памяти, наиболее четкий характер которого имеет место при размерах заполнителя около 0,2 мм и его относительном объеме порядка 40%.

2. Сохранность акустико-эмиссионной памяти в текстолите марки ПТК составляет 30 суток и не зависит от длительности приложения установочной нагрузки. Это позволяет после предварительного нагру-жения до заранее заданного уровня напряжений использовать его в качестве чувствительного элемента датчика-сигнализатора достижения критического напряжения в конструктивных элементах систем разработки.

3. В пьезокерамических элементах наряду с пьезоэффектом формируется и проявляется акустико-эмиссионный эффект памяти, характеризующийся скачкообразным ростом числа импульсов акустической эмиссии, максимум спектральной плотности которых не зависит от размеров образца и лежит в диапазоне частот от 70 до 110 кГц. Относительно незначительный уровень акустических помех окружающего массива в этом диапазоне в сочетании с использованием полосовой фильтрации обусловливает перспективность применения пье-зо керамики в качестве чувствительного элемента помехозащищен-ного датчика-сигнализатора критических напряжений в контролируемой области массива.

Обоснованность и достоверность положений, выводов и рекомендаций подтверждаются:

Методы исследований, использованные в диссертационной работе:

Научная новизна работы заключается:

- в разработке алгоритма интерпретации акустико-эмиссионных измерений, направленного на выявление конкретного момента проявления аку-стико-эмиссионного эффекта памяти в композиционных материалах, эффективность которого сохраняется даже при малом количестве экспериментальных данных;

- в разработке метода контроля НДС массива горных пород на основе акустико-эмиссионного эффекта памяти в эпоксидной смоле с отвердителем и кварцевым заполнителем, позволяющего получать достоверную информацию о направлении действия и абсолютном значении максимального напряжения, действующего в плоскости, ортогональной оси измерительной скважины;

- в разработке метода контроля критических напряжений на основе акустико-эмиссионного эффекта памяти в текстолите ПТК (а также его по-мехозащищенного варианта на основе акустико-эмиссионного эффекта памяти в пьезокерамике), позволяющего получать сигнальную информацию о достижении в массиве пород заранее установленного критического значения напряжения по одному из направлений.

Научное значение работы заключается в установлении закономерностей проявления акустико-эмиссионного эффекта памяти в таких композиционных материалах, как текстолит ПТК, эпоксидная смола с отвердителем и кварцевым заполнителем, пьезокерамика, а также в разработке метода интерпретации акустико-эмиссионных данных, позволяющего с высокой степенью точности определять момент проявления эффекта памяти даже при малом количестве экспериментальных отсчетов.

Практическое значение работы. В рамках диссертации разработана

«Методика контроля напряжений в окрестностях горных выработок на осно-

ве акустико-эмиссионного эффекта памяти в композиционных материалах», которые переданы для практического использования в ГИ КНЦ РАН, ГИ УрО РАН, ИГД ДВО РАН, ИГД СО РАН, ЖЖОН РАН, МГГУ. Результаты диссертационной работы вошли в качестве раздела в учебное пособие «Методы определения напряженно-деформированного состояния массива горных пород», рекомендованное УМО вузов Российской Федерации по образованию в области горного дела для студентов вузов, обучающихся по специальности «Физические процессы горного или нефтегазового производства».

Апробация работ. Основные положения диссертации докладывались на научных симпозиумах «Неделя горняка» (Москва, 2010, 2013 гг.) и XXV Сессии Российского акустического общества (Таганрог, 2012). Результаты исследований автора, проведенные в рамках диссертационной работы, были отмечены грантом Американского акустического общества.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 научных работ, в том числе 3 патента на изобретения

Основными предпосылками для решения поставленных задач являлись результаты теоретических и экспериментальных исследований в области геомеханики и геоакустики, полученные в разные годы такими учеными, как Аксенов В.К., Баклашов И.В., Барях A.A., Влох Н.П., Катков Г.А., Курленя М.В, Лавров A.B., Леонтьев A.B., Козырев A.A., Опарин В.Н., Панин В.И., Турчанинов И.А., Шемякин Е.И., Шкуратник В.Л., Ямщиков B.C., Hardy, H.R.Jr., Kaiser J., Kanagawa Т., Mogi К. и др.

Автор выражает благодарность научному руководителю диссертации проф., д.т.н. Шкуратнику за руководство теоретическими и экспериментальными исследованиями.

1 АНАЛИЗ СОВРЕМЕННОГО СОСТОЯНИЯ МЕТОДОВ И СРЕДСТВ КОНТРОЛЯ НАПРЯЖЕНИЙ В МАССИВЕ ГОРНЫХ ПОРОД

1.1 Роль информации о напряженном состоянии массива пород для обеспечения эффективности и безопасности горных работ, строительства и эксплуатации подземных сооружений

Добыча полезных ископаемых в подземных условиях относится к наиболее рискоопасным видам человеческой деятельности. Причем во многом это связано с высокой вероятностью потери устойчиво�

Информация о работе

Николенко, Петр Владимирович
кандидата технических наук
Москва, 2013
ВАК 25.00.20

Диссертация

Обоснование и разработка методов и средств контроля напряжений в массиве на основе эффектов памяти в композиционных материалах - тема диссертации по наукам о земле, скачайте бесплатно

Автореферат

Обоснование и разработка методов и средств контроля напряжений в массиве на основе эффектов памяти в композиционных материалах - тема автореферата по наукам о земле, скачайте бесплатно автореферат диссертации

Похожие работы