Обоснование и разработка ультразвуковых способов оценки нарушенности природного камня под влиянием факторов выветривания

Колодина, Ирина Викторовна

Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему
Обоснование и разработка ультразвуковых способов оценки нарушенности природного камня под влиянием факторов выветривания
ВАК РФ 25.00.16, Горнопромышленная и нефтегазопромысловая геология, геофизика, маркшейдерское дело и геометрия недр

Автореферат диссертации по теме "Обоснование и разработка ультразвуковых способов оценки нарушенности природного камня под влиянием факторов выветривания"

На правах рукописи УДК 622.83:620.179.16

ОБОСНОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА УЛЬТРАЗВУКОВЫХ СПОСОБОВ ОЦЕНКИ НАРУШЕННОСТИ ПРИРОДНОГО КАМНЯ ПОД ВЛИЯНИЕМ ФАКТОРОВ ВЫВЕТРИВАНИЯ

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

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 2006

Работа выполнена в Московском государственном горном университете

Научный руководитель

доктор технических наук, профессор Шкуратник Владимир Лазаревич

Официальные оппоненты: доктор технических наук Захаров Валерий Николаевич кандидат технических наук Дозоров Томас Анатольевич

Ведущая организация:

Федеральное государственное унитарное предприятие Научно-исследовательский и проектно-изыскательский институт по проблемам добычи, транспорта и переработки минерального сырья в промышленности строительных материалов (ВНИГШИстромсырье)

Защита диссертации состоится «/В » октября 2006г. в ч.РРмин. на заседании диссертационного совета Д-212.128.04 при Московском государственном горном университете по адресу: „ _ 119991, Москва, Ленинский проспект, д.6, ' '

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного горного университета

Автореферат разослан «_»сентября 2006г.

Ученый секретарь диссертационного совета профессор, доктор технических наук

Бубис Ю.В.

Общая характеристика работы

Актуальность работы. Выветривание — один из наиболее значимых процессов природной и техногенной экзодинамики. Оно носит повсеместный и непрерывный характер, отличается разнообразием и сложностью конкретных механизмов и проявлений, широким диапазоном влияния на состав, структу-. ру и свойства горных пород. Неизбежным следствием этого влияния являются механическое разуплотнение, структурная дезинтеграция и в конечном счете разномасштабная нарушенность исходного геоматериала. Сведения о , степени и границах этой нарушенности составляют неотъемлемую часть информационного обеспечения эффективного и безопасного ведения горных работ, строительства и эксплуатации подземных сооружений различного назначения. Особенно важно получение такой информации при добыче, обработке, определении сфер рационального использования и прогнозе долговечности природного камня и изделий из него, прежде всего облицовочных. Для оценки нарушенности горных пород под влиянием выветривания используются разнообразные геофизические методы. Среди последних наиболее эффективны акустические, информативные параметры которых связаны устойчивыми связями с плотностнымг упругими и прочностными свойствами горных пород, а следовательно, и с их интегральной нарушенностью. Особое место среди этих методов занимают ультразвуковые (УЗ) методы, основанные на применении упругих волн, частота которых превышает 20 кГц и в ряде случаев может достигать 1 МГц и более. УЗ методы допускают проведение исследований в массиве, на образцах (керне), плитах и блоках горных пород, отличаются высокими информативностью, чувствительностью и разрешающей способностью. Однако в практике изучения выветривания в настоящее время используются только активные УЗ методы, реализующие про-звучивание на продольных волнах и ограничивающиеся использованием кинематических характеристик акустического сигнала в качестве информативных. Как следствие, потенциальные возможности УЗ методов реализуются не полностью, что и предопределяет актуальность их совершенствования на основе реализации эхоимпульсных, акустоэмиссионных и акустополяризаци-онных измерений.

Исследования, представленные в работе, проводились при поддержке РФФИ (гранты №№ 99-05-65575, 01-05-64105), а также в рамках утвержденных Минобразованием РФ планов НИР МГГУ по темам: «Разработка УЗ методов оценки нарушенности горных пород под влиянием природного и техногенного выветривания» и «Теоретическое и экспериментальное обоснование изучения структуры, свойств и состояния горных пород на основе принципов УЗ эхоскопии» (№№ гос. регистрации 01200211914 и 01200304882). Цель работы — установление взаимосвязей между степенью нарушенности горных пород и информативными параметрами эхоимпульсных, акустоэмиссионных и акустополяризационных УЗ измерений для разработки на этой основе соответствующих способов геоконтроля.

Идея работы заключается в использовании для оценки нарушенности горных пород под влиянием факторов выветривания нетрадиционных для такой оценки акустических способов, базирующихся на эхоимпульсных, акусто-эмиссионных и акустополяризационных измерениях в У.З диапазоне частот. Основные научные положения, разработанные лично соискателем:

1. Обусловленную выветриванием нарушенность горных пород при ее исследовании УЗ эхометодом целесообразно характеризовать двумя параметрами — коэффициентом затухания продольных волн вследствие рассеяния в приповерхностной области контроля и глубиной, на которой этот коэффициент уменьшается в е раз. При этом значения указанных параметров могут быть получены по измеренным уровням донного сигнала и структурных шумов, соответствующих различным глубинам, путем их сравнения с данными численного моделирования на основе разработанной теоретической модели УЗ эхоскопии нарушенного геоматериала.

2. Оценка степени выветрелости плит облицовочного камня при одностороннем доступе к ним может быть осуществлена на основе сравнения между собой скоростей распространения рэлеевских волн, измеренных на двух отличающихся в 1,5—2 раза частотах, и сравнения каждой из них со скоростью распространения продольных волн, полученной на основе двух типов время-импульсных УЗ измерений в эхорежиме, первый из которых осуществляется с использованием совмещенного преобразователя, а второй - разнесенных относительно друг друга приемного и излучающего преобразователей.

3. Степень сохранности геоматериала, подверженного влиянию выветривания, может быть оценена на основе измерения показателя сохранности акустоэмиссионного эффекта памяти /"7? при циклическом нагружении образцов с возрастающей от цикла к циклу нагрузкой. Получаемый в результате этих измерений индекс сохранности J(FR) представляет собой отношение показателей РЯ соответствующих исследуемому и условно эталонному образцам при одинаковых режимах их нагружения. При ^(л?) -> 1 степень сохранности геоматериала максимальна, а при ./(/7?) -> 0 - минимальна.

4. Степень сохранности геоматериала, подверженного влиянию выветривания, может быть оценена на основе акустополяризационных измерений, обеспечивающих определение соответствующего индекса сохранности J , представляющего собой отношение площадей акустополяриграмм, полученных в исследуемом и эталонном, т.е. условно ненарушенном образцах. При J А' -> 1 степень сохранности максимальна, а при Jл -» 0 - минимальна. Обоснованность н достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются:

- удовлетворительной сходимостью полученных теоретически и экспериментально характеристик и параметров элементов электроакустического тракта УЗ эхоскопии нарушенных выветриванием образцов горных пород;

- удовлетворительной сходимостью (с погрешностью не превышающей несколько процентов) результатов оценки глубины приповерхностной нару-

шенности геоматериалов, полученных по данным УЗ эхоскопии и послойного контроля этих материалов с использованием волн Рэлея;

- хорошей воспроизводимостью установленных взаимосвязей информативных параметров предложенных способов УЗ контроля геоматериалов со степенью нарушенности последних при многократных измерениях;

- использованием при проведении экспериментов хорошо зарекомендовавшего себя и обладающего высокими метрологическими характеристиками аппаратурного обеспечения УЗ измерений.

Научная новизна исследований заключается:

- в разработке теоретической модели электроакустического тракта эхо-импульсных УЗ измерений в нарушенных выветриванием образцах горных пород и обосновании оптимальных параметров элементов этого тракта;

- обосновании теоретической модели и алгоритма оценки относительной глубины и степени нарушенности объекта исследований по обратным нормированным зависимостям изменения уровня структурных УЗ шумов с расстоянием, а также отношению донного сигнала и уровня указанных шумов;

- обосновании алгоритма и разработке аппаратурного обеспечения оценки нарушенности плит облг*товочного камня на основе комплексирова-ния реализуемых на их свободной поверхности УЗ измерений: одночастот-ных эхоимпульсных и двухчастотных с использованием волн Рэлея;

- установлении взаимосвязи между показателем сохранности акусто-эмиссионной памяти горных пород при циклическом нагружении с одной стороны и степенью их нарушенности под влиянием факторов выветривания - с другой;

- установлении закономерностей изменения площади и степени анизотропии акустополяриграмм, полученных при акустополяризационных измерениях в образцах горных пород в функции от степени их нарушенности под влиянием факторов выветривания.

Научное значение работы заключается в разработке теоретической модели УЗ эхоскопии горных пород, учитывающей экспоненциальный характер изменения их нарушенности с глубиной, а также в установлении взаимосвязей между информативными параметрами эхоимпульсных, акустоэмиссионных и акустополяризационных УЗ измерений в горных породах с одной стороны и степенью их нарушенности под влиянием выветривания - с другой. Практическая ценность работы состоит в разработке способов оценки степени нарушенности горных пород под влиянием факторов выветривания, основанных на эхоимпульсных, акустоэмиссионных и акустополяризационных ультразвуковых измерениях, а также аппаратурного и методического обеспечения для их реализации.

Реализация работы. В рамках диссертации создана «Методика оценки нарушенности геоматериалов под влиянием факторов выветривания с использованием УЗ метода отраженных волн», которая утверждена в МГГУ и передана для использования в ФГУП «ВНИПИИстромсырье». Материалы диссертации используются также в лекционном и лабораторном курсах дисцип-

лины «Горная геофизика», читаемой студентам специальности «Физические процессы горного производства» МГГУ.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались на научных симпозиумах «Неделя горняка» (Москва, 2000, 2001, 2006), Международном симпозиуме «EUROCK-2000» (Aachen, 2000), Международной геофизической конференции «300 лет горно-геологической службе России» (С-Петербург, 2000), XVI Сессии Российского акустического общества (Москва, 2005), Международной конференции «Физические проблемы разрушения горных пород» (Москва, 2005).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 научных работ. Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения, изложенных на 159 страницах, содержит 39 рисунков, 11 таблиц, список литературы из 87 наименований.

Автор выражает благодарность своему научному руководителю проф., д.т.н. Шкуратнику В.Л. за полезные консультации при постановке и проведении исследований, а также с.н.с., к.т.н. Ермолину A.A. за практическую помощь в разработке аппаратуры контроля и проведении экспериментов.

Основное содержание работы.

Первая глава диссертации посвящена анализу современного состояния проблемы изучения зон выветривания горных пород. Дана характеристика выветривания как одного из процессов природной и техногенной экзоди-намики. Рассмотрено влияние выветривания на свойства и состояние горных пород, условия эксплуатации месторождений и процессы горного производства. При этом основное внимание уделено месторождениям природного камня, информация о нарушенности которого является во многом определяющей при выборе техники и технологии его добычи и обработки, установлении сфер рационального использования, прогнозе долговечности получаемых облицовочных изделий. Проанализированы достоинства и недостатки различных геофизических методов, применяемых для определения степени нарушенности горных пород, границ зон выветривания и пространственно-временной изменчивости свойств и состояния геологической среды в этих зонах. В результате сделаны выводы, с одной стороны, о перспективности для изучения выветривания геоматериалов УЗ методов, а с другой — о необходимости их совершенствования за счет использования нетрадиционных для изучения выветривания схем и информативных параметров контроля, реализуемого как в активном, так и в пассивном режимах. На основе анализа материалов первой главы были сформулированы приведенная выше цель, а также следующие задачи исследований:

- разработать теоретическую модель, провести расчет электроакустического тракта, обосновать и оценить информативные параметры контроля нарушенности геоматериалов УЗ эхоимпульсным методом;

- разработать методическое и аппаратурное обеспечение оценки степени выветривания геоматериалов на основе УЗ эхоимпульсных измерений с

использованием уровня структурных шумов в качестве информативного параметра контроля, а также на основе комплексирования УЗ эхоскопии и поверхностного прозвучивания с использованием волн Рэлея;

- обосновать и экспериментально оценить возможность оценки степени нарушенности геоматериалов под влиянием выветривания на основе акусто-поляризационных и акустоэмиссионных УЗ измерений.

Основными предпосылками для решения указанных задач являлись результаты теоретических и экспериментальных исследований в области геоакустики УЗ диапазона частот,'полученные в разные годы такими учеными, как Ватолин Е.С., Воларович М.П., Горбацевич Ф.Ф., Данилов В.Н., Дзенис В.В., Ермолов И.Н., Кузнецов О.Л., Лавров A.B., Меркулова В.М., Носов В.Н., Рубан А.Д., Савич А.И., Силаева О.И., Тютюнник П.М., Шкуратник В.Л., Якобашвили О.П., Ямщиков B.C. и др.

Вторая глава посвящена теоретическому обоснованию применения УЗ эхоимпульсного метода для оценки нарушенности образцов горных пород под влиянием факторов выветривания. Физической основой использования УЗ эхолокации для контроля степени выветривания геоматериалов является развитие в них дефектности, сопровождающееся многократным возрастанием структурных шумов, по сравне"чю с уровнем, имевшим место в условно ненарушенном состоянии. Обусловленную выветриванием нарушенность предложено характеризовать двумя параметрами — коэффициентом затухания продольных волн вследствие рассеяния в приповерхностной области контроля $ро и глубиной Zo, на которой этот коэффициент уменьшается в е раз. При этом значения указанных параметров могут быть получены по измеренным уровням донного сигнала и структурных шумов, соответствующих различным глубинам, путем их сравнения с данными численного моделирования на основе теоретической модели УЗ эхоскопии нарушенного геоматериала. При разработке указанной модели, а также расчете соответствующего ей электроакустического тракта использовалась схема, представленная на рис.1, где 1 - пьезоэлемент (ПЭ) толщиной h и радиусом сс ; 2 — объект контроля (горная порода в виде керна или плиты толщиной d ), размещенный с зазором на основании 3; . 4 — демпфер пьезоэлектрического преобразователя

(ПЭП) толщиной hd; д - толщина слоя площадью S, на элементах которого образуется структурная помеха, регистрируемая совмещенным ПЭП, находящимся на расстоянии R от указанного слоя; <?'(<у) и Uebix{c°)- спектральные плотности ЭДС возбуждающего генератора и принимаемого сигнала на сопротивлении гк соответственно. Кроме того, в качестве исходного было использовано известное выражение для среднеквадратичного значения относительного давления структурных шумов на ПЭП SPcmp для случая

8р = const во всем контролируемом пространстве (Ермолов И.Н., 1981)

¿Р 1

стр 2 Я V 2л-

О)

где Тц _ эффективная длительность зондирующего импульса; площадь ПЭП; с, _ скорость продольной волны; а, - коэффициент затухания за счет диссипативных потерь и рассеяния.

Рис. 1. Схема к расчету электроакустического тракта

При одностороннем влиянии факторов выветривания величина 8р будет убывать с увеличением глубины Z в простейшем случае по экспоненциальному закону

= (г) = ¿V (Л соз 0) = ехр(- г / ). (2)

Учитывая (2), а также влияние диаграммы направленности (ДН) поршневого ПЭП радиусом а из (1) было получено следующее выражение относительного уровня структурных шумов в условиях влияния выветривания

где — к, = 2л7 А, волновое число продольных волн; Л, - длина продольной волны на рабочей частоте /Р; 0(x)=2J1 (х)/х - функция направленности ПЭП; Ji- цилиндрическая функция Бесселя.

Проведенный анализ и численное моделирование в соответствии с (3) показали, что выбор ширины диаграммы направленности (параметра к ¡а) весьма важен для обеспечения разрешающей способности системы эхолокации при определении глубины нарушенной выветриванием зоны, т.е. параметра Z,. Наибольшая чувствительность определения указанной глубины достигается при к,а - 3.6+4.4.

При обосновании оптимальных значений таких параметров ПЭП, как его радиус а и рабочая частота fp, необходимо учитывать следующие особенности рассматриваемой модели контроля: 1) максимальная толщина d объектов исследования не превышает 50мм, что позволяет обеспечить необходимую чувствительность с использованием ПЭП радиусом ~ несколько мм; 2) для сравнения уровней структурных шумов с использованием соотношений (1) и (3) необходимо, чтобы протяженность ближней зоны ПЭП

удовлетворяла условию rg = сс2 / Я, «с/; 3) для обеспечения требуемой разрешающей способности определения уровня структурных шумов по дальности необходимо, чтобы величина ти была в 3 - 4 раза меньше времени распространения импульса до границы образца. При этом А = с,-ти/2, аХ, «d.

Для получения диапазона значений радиуса ПЭП зафиксируем значение параметра kta = 3.8 (соответствует границе основного лепестка ДН). Тогда 2па2 / А, = 3.8а , или

Согласно приведенному выше пункту 2 особенностей модели из (4) получим следующую оценку:

(5)

г„ -2Тр <0,25fu =0,25d/cu или Грс, = Л, <0,125аГ. (6)

Подставляя оценку длины волны Л, из (6) в первое из соотношений (4), получаем, что

2л у '

Условие (7) является более жестким, чем (5), почему им и следует руководствоваться при выборе величины а.

Из (7) и (4), учитывая, что Л, = с\/получаем значение /р

/р=3,Вс,/2ла. (8)

Отметим, что общий коэффициент затухания в объекте контроля с учетом рассеяния на структурных неоднородностях может быть представлен в виде

«1=а,(2) = а,о+У}<5р(гу2 = а1о+«5Ро^(1-е-^)> (9)

2 о 2

где а/0 - коэффициент затухания в образце в исходном условно ненарушенном состоянии.

В качестве опорного значения при оценке 8^ может быть использована амплитуда донного сигнала, величина которого определяется выражением

§р =__а—

-г

(10)

Для оценки состояния образцов горных пород по уровню структурных шумов необходимо сформировать упругие импульсы, удовлетворяющие первому из условий (6). При этом следует учитывать, что по мере распространения этих импульсов их частотный спектр будет сужаться, а длительность возрастать. В связи с этим для расчета зависимости (3) в условиях среды с убывающим по мере роста координаты 2 коэффициентом 8р, был проведен расчет электроакустического тракта эхоимпульсного метода. Полученная в результате формула указанного тракта, позволяющая в частности смоделировать зондирующие УЗ импульсы, имеет вид

и /е^ = __

где

1-со8(*пА) + ф8т(*пА)

С = 1 - ¡соск +

СЛ

2(1-со8(£п/г)) + 1$т(£пй)

(У*)'

£> =

ч ^П ) ¿в

, Zп иг импедансы демпфера, ПЭ и геосреды соответственно; е,- - пьезо-постоянная; е относительная диэлектрическая постоянная ПЭ; е0 =8,85-10"12 Ф/м; ср = $аВЕй/к - статическая емкость ПЭ; к„ — волновое число в ПЭ.

Проведенное на основе формулы (11) численное моделирование позволило рассчитать спектральные плотности и импульсы сигналов, отраженных от поверхности контролируемого объекта и выбрать оптимальные параметры демпфера и сопротивления коррекции г к на основе заданных значений о, , и Ь. В частности, показано, что оптимальное (обеспечивающее максимальную чувствительность) значение гк — 600 Ом, а выполнение первого из условий (6) обеспечивается применением демпфера из свинца толщиной к^ > 3,5с1с11 / с, 1 где с^=2160м/с - скорость распространения продольных волн в демпфере.

Сформулированные выше теоретические предпосылки позволили обосновать методику оценки степени выветривания образцов горных пород УЗ эхоимпульсным методом, основные положения которой включают следующее. С использованием соотношения (3) строится серия кривых 8Р для различных значений Пример таких кривых

приведен на рис. 2, где: 2-^</</=0,1; 3 -2^=0,15;

4 — г,Л/=0,2; 5-zJd=Q,25. Далее с использованием формул (3) и (10) строится серия зависимостей ЗРХ1Н1бР^р{0,25^) для различных значений отношения г0/с/. Пример таких зависимостей приведен на рис. 3, где 1-5 соответствует рис 2. Измеряются значения уровней донного сигнала и сигналов структурных шумов для различных глубин Ъ ( не менее 5 точек), рассчитываются величины отношений 8Рпр(с1)/3Р^ (г), наносимые в виде экспериментальной зависимости на теоретические кривые. По положению этой зависимости с использованием интерполяции оценивается значение параметра 20/с/. Далее с учетом известного значения с1 рассчитывается параметр 2а. Затем определяется экспериментальное значение дР^/дР^^0,25«/), которое откладывается по оси ординат на соответствующем теоретическом графике, проводится прямая, параллельная оси абсцисс, до пересечения с кривой с установленным значением ^/<1. По оси абсцисс определяется параметр

5роХ1 и далее значение 8^. При этом, если глубина Z0 соизмерима с толщиной </,а ^ >таь(где «/0- коэффициент затухания в образце в исходном состоянии, т > 1 - множитель, соответствующий некоторому пороговому значению то нарушенность образца признается критической. Значение т устанавливается экспериментальным путем.

Рис.2. Зависимости отношения ЗРстр(с])/5Рстр (г) в функции от нормированной глубины г!с1 для различных значений параметра г0/с/

Рис.3. Зависимости отношений уровней донного сигнала ЗРдон (с/) и структурного шума на глубине г~сИА от параметра 8 РоЯ, для различных значений параметра 20/с/

В рамках 2-й главы был обоснован также УЗ способ нарушенности плит облицовочного камня на основе комплексирования эхолокации и поверхностного прозвучивания с использованием волн Рэлея.

Эхолокационные измерения осуществляются в двух вариантах, представленных на рис 4.

г.

в.

Рис. 4. Первый (а) и второй (б) варианты схем эхолокационных ультразвуковых измерений в плите геоматериала, а также временные диаграммы сигналов, иллюстрирующие суть указанных измерений по первому (в) и второму (г) вариантам

В первом из них используется совмещенный ПЭП 1, осуществляющий излучение и прием УЗ сигнала через акустическую линию задержки (ЛЗ) 2.

Подключенный к ПЭП 1 УЗ прибор измеряет время ^ распространения УЗ сигнала, дважды прошедшего через ЛЗ (поскольку он отражается от верхней границы плиты), а также времени 1г, за которое сигнал дважды пройдет через ЛЗ и дважды через плиту. Второй вариант измерений осуществляется находящимися на расстоянии Ь двумя раздельными ПЭП (излучающим 3 и приемным 4) и обеспечивает получение времени , за которое УЗ сигнал распространяется по лучам АС и СВ.

С учетом принятых выше обозначений заданных и измеряемых параметров нетрудно показать, что толщина плиты и скорость распространения продольных упругих волн в ней будут определяться формулами

, = (12)

. (13)

Далее измеряются скорости поверхностных волн Рэлея на частотах/ .и /2 = (1,5-2)/,, т.е. Сц{/\) и сн(/2). Сделав допущение, что полученное зна-

чение с/ соответствует условно ненарушенному геоматериалу '(поскольку при эхоимпульсных измерениях большая часть пути распространения УЗ волны не затронута деструктивными изменениями), это значение может быть принято за эталонное с1Э. Согласно известной зависимости теории упругости в случае отсутствия деструктивных приповерхностных нарушений значению С0 должно соответствовать вполне определенное для данного материала

теоретическое значение Сн, В качестве параметра, характеризующего степень сохранности поверхностной области плиты, используется коэффициент

= (14)

Чем больше нарушенность приповерхностной области плиты (толщиной ~ 1,5 Яя, где Л?г - длина волн Рэлея), тем меньше коэффициент Кся. При К*-\ как на частоте так и /2 деструкция приповерхностной области отсутствует. Проводя измерения коэффициента К* через интервал

времени = '2 — ). можно оценить интенсивность процессов дест-

рукции в соответствии с выражением

¿Ъ) ■ (15)

Третья глава посвящена экспериментальным исследованиям нару-шенности геоматериалов под влиянием выветривания с использованием УЗ эхометода. Качественная оценка степени нарушенности по уровню структурных шумов проводилась на полученных из керна цилиндрических образцах высотой ¿1 = 40мм и диаметром £> = 20мм белого мелкозернистого мрамора Кибик-Кордонского месторождения. Образцы отбирались с шагом 1 м до глубины 7м на участке, где ранее не велись подготовительные и добычные работы и где нарушения мрамора были обусловлены только влиянием выветривания.

Для каждого из образцов измерялись (рассчитывались): значения С1; отношения амплитуд огибающих однократно и двукратно Л2тах отраженных УЗ импульсов; коэффициент затухания ОС,; отношение амплитуд огибающих структурных шумов Лотт к соответствующим значениям А2тех; предел прочности при сжатии 8СЖ. Относительные изменения указанных параметров на глубине 5м (условной границе зоны выветривания) по сравнению с глубиной 1м составили: для с, =19,2%; для ^1тах/Агт1Х =33,5%; для Лотах/ а2шк -100%; для -58,6%; для дсж -43%. Таким образом, информативность параметра А0 тах / Аг ш при оценке степени выветривания оказывается наибольшей.

Исследовались также двухслойные образцы из пластин мрамора с заданной толщиной, верхняя из которых изготавливалась из керна с глубины 1л» и имела существенно большую наруш^нность, чем нижняя, изготовленная из керна с глубины 4м. Проведенные измерения показали, что поскольку коэффициент отражения между слоями Д«1 (в силу относительной близости их волновых сопротивлений), то межслойная граница не может быть выявлена по результатам эхолокации. В то же время по уровню структурных шумов на эхолокационных осциллограммах толщина наиболее нарушенного слоя определяется с погрешностью, не превышающей 4%.

Были проведены также эксперименты, призванные подтвердить возможность количественной оценки степени нарушенное™ и глубины нарушенной зоны в объекте контроля при одностороннем воздействии выветривания. Объектом исследования являлись образцы розового полосчатого Ки-бик-Кордонского мрамора в виде плиток толщиной с! = 0,03м и площадью 0,15*0,15л<2. Образцы помещались в специальные кассеты, обеспечивающие одностороннее воздействие факторов, имитирующих разрушающее влияние выветривания. Всего было исследовано 12 плиток, сгруппированных в 3 группы по 4 плитки. Каждая из групп подвергалась соответственно 40, 60 и 90 циклам воздействия, состоящим из восьмичасовых этапов замачивания в водном растворе с рИ = 5 при температуре Тх = 20°С, замораживания в морозильной камере при Т2 = -25°С, оттаивания и высушивания при Г3 = 40°С.

По результатам УЗ эхоимпульсных измерений были получены как традиционные информативные параметры контроля (с1,а, и А/ - интервал времени между первыми вступлениями однократно и дву!фатно отраженных импульсов), так и параметры, позволяющие оценить значения и 8^ в соответствии с описанной выше методикой (табл.1).

Таблица 1

№ №ГРУППЫ ОБРАЗЦОВ

п/п ПАРАМЕТРЫ I (40 циклов II (60 циклов III (90 циклов

воздействия) воздействия) воздействия)

1 Аt, мке 13,3 13,6 14,0

2 спм/с 4550 4412 4286

3 а,,\!см 0,110 0,137 0,180

4 ZJd -0,15-0,2 ~ 0,25 - 0,3 ~ 0,7 - 0,8

5 Z.,mm 5,25 8,25 22,5

6 SP доя (d)/ SP„V (0,25) 6,19 3,28 2,1

7 К-* 0,044 0,085 0,11

8 X, мм 3,79 3,68 3,57

9 8^,1! см 0,116 0,231 0,310

Относительное изменение ct в образцах I, II и III групп составило соответственно 3,2%, 6,1% и 8,8%, а а, - 9,1%, 37% и 80%. Однако эти цифры являются усредненными по всей базе контроля и не позволяют дать дифференцированную по глубине оценку нарушенности. В то же время параметры

Z0 и 3ро дают достаточно полную количественную оценку нарушенности в сочетании с разрешением по глубине. Так, степень нарушенности образцов I группы можно считать незначительной, поскольку для них Zo<0,\75d, а & ро превышает коэффициент затухания сс,0 в исходном (не подверженном выветриванию) материале всего на 16%. Для образцов II группы Za - 0,275t/ (почти треть толщины пластины), а дро>2,3а/а. Следовательно, нарушенность образцов этой группы можно считать значительной. Для образцов III группы Zo-0,275d, a Spo>3aloi что дает основание говорить об их чрезвычайно высокой нарушенности. Для проверки результатов УЗ эхоскопии на каждой из подвергнутых испытаниям плит с помощью алмазного шлифовального круга последовательно снимались поверхностные слои толщиной AZ = 2мм и на образовавшейся поверхности осуществлялись измерения скоростей распространения волн Рэлея (с к, ). С учетом свойства этих волн локализоваться в приповерхностном слое AZ' = (l - 2)XR, где Ял - длина рэлеевской волны на частоте = 1,5МГц, были оценены реальные глубины проникновения нарушенности. Они составили ~ 6мм, 10мм и 24лш для образцов Л, II и III групп, соответственно, что близко к данным УЗ эхоскопии.

В заключение 3-й главы обоснованы принципы построения и дано описание опытного образца УЗ прибора для экспериментальной качественной оценки нарушенности плит облицовочного камня на основе сочетания акустических измерений на поверхностных волнах Рэлея и эхоимпульсных. Приведены также результаты оценки с использованием этого прибора состояния 4 групп образцов, из которых первая группа не подвергалась одно; сторонним разрушающим воздействиям, а группы I - III аналогичны группам, приведенным в табл. 1.

Четвертая глава посвящена обоснованию возможности оценки степени поврежденности геоматериалов под влиянием факторов выветривания на основе использования акустоэмиссионного эффекта памяти и УЗ акустополя-ризационных измерений на образцах.

Акустоэмиссионный эффект памяти (АЭП) - эффект Кайзера — проявляется при циклическом нагружении горных пород с возрастающей от цикла к циклу амплитудой напряжения. Он заключается в невоспроизводимости акустической эмиссии (АЭ) вплоть до максимального напряжения предшествующего цикла &тш1, когда активность АЭ скачкообразно возрастает до уровня, соответствующего °"тах • Показатель сохранности - Felicity ratio

(РЛ) характеризует «качество» проявления ЛЭП и представляет собой отношение напряжения, при котором отмечается АЭП в тестовом цикле нагруже-ния к максимальной величине напряжения, испытанной в установочном цикле. В частности, для двухциклового нагружения

РЛ = а."/сг' ш=х, (16)

где сг." - напряжение, при котором имеет место АЭП во II цикле нагружения, а 0"тах - максимальное напряжение в I цикле нагружения образца.

В соответствии с современными представлениями о механизмах тре-щинообразования и свойстве памяти горных пород равенство РЛ = 1 означает, что трещины в I цикле при напряжениях сг' росли устойчиво, и имело место однозначное соответствие между достигнутым уровнем напряжения и длинами трещин. У пород с хрупким характером разрушения, к которым может быть отнесен и облицовочный камень, РЯ = 1 до тех пор пока сг'пих лежит в упругой области. По мере приближения к &Сж значение снижается. Это происходит вследствие взаимодействия трещин, их стопоре-няя, слияния и других эффектов, которые могут трактоваться как увеличение поврежденности, способное привести к нарушению однозначного соответствия между длинами трещин и достигнутым уровнем напряжения. Как следствие, АЭ при повторном нагружении начинается раньше, чем достигается максимальный уровень поврежденности I цикла, а РЯ становится меньше единицы. Для проверки отмеченных положений были проведены эксперименты на образцах доломитизированного известняка Новосельского месторождения в виде прямоугольных параллелепипедов с размерами 2x2x5 см. Все образцы предварительно были исследованы на отсутствие значимых дефектов теневым время-импульсным методом и разделены на 6 групп (по 5 образцов в каждой группе). Образцы 1-й группы (контрольной) не подвергались какому-либо воздействию, моделировавшему процесс выветривания. Образцы остальных групп подвергались соответственно 10,20,30 и 40 циклам разрушающего комбинированного воздействия. При этом каждый из указанных циклов включал 24-часовые этапы замачивания в водном растворе с рк = 5 при температуре Г, = 20°, последующего замораживания в морозильной камере при Т2 = -20°С, оттаивания и высушивания в термокамере при Т} = 40°.

Далее образцы подвергали многоцикловому одноосному нагружению вдоль их высоты (с возрастающей от цикла к циклу амплитудой напряжения), в ходе которого измерялись и строились зависимости «суммарная активность

) - напряжение (с)», а затем зависимости РЛ = /(сг). Последние представлены на рис.5.

и?

Рис. 5. Зависимости показателя сохранности памяти /•У? от напряжения в образцах известняка, испытавших различное число циклов техногенного воздействия: 1 - образец контрольной группы; 2-5 образцы, испытавшие 10, 20, 30 и 40 циклов воздействия

Для оценки степени выветривания по этим зависимостям необходимо задаться некоторым критическим (пороговым) уровнем величины лг, например, /-7? = 0,5. Далее определяются пороговые величины ст/(/ = 1 + 5), соответствующие пересечению ] — й кривой с пунктирной линией, соответствующей пороговому уровню. В частности, для кривых 1-5 на рис.5 имеем сг, £53МПа, аг2 =50МПа, ст3 г АШПа, ст4 =42МПа и сг3 2 ЗА МПа. С использованием полученных значений определяется связанный с показателем FR безразмерный коэффициент выветривания

= (17)

а°

где &0 - пороговое значение напряжения, соответствующее контрольной группе образцов, не испытавших техногенного воздействия.

В соответствии с рис.5 ЛГ,в(«?)=0; А"/(^)=0,06; К?{РН)=0,\Т, ЛГ/^Л)=0,2; АГ/(га) = 0,36. Как следует из (17), К"(РЯ) может изменяться от 0 до 1, причем К8 (ГЛ) - 0 означает, что в геоматериале отсутствуют нарушения, связанные с выветриванием, а К в (£7?) = 1, что указанные нарушения максимальны. Реальные значения К'(РЛ) всегда будут ограничены сверху величиной <1, т.к. при соответствующей нарушенности память об испытанных напряжениях может не сформироваться или не идентифицироваться из-за высокого уровня АЭ на начальной стадии (/+ 1)-го цикла нагружения.

В рамках четвертой главы были проведены также экспериментальные исследования, направленные на установление возможности оценки степени выветривания на основе метода акустополяриметрии.

При проведении измерений использовался акустополярископ с поворотной платформой и УЗ преобразователями сдвиговых волн с частотой бООтсГгу, а также УЗ прибор УД2-12. Объектом исследований являлись образцы карбонатных пород Гурьевского месторождения.

Эксперимент заключался в пошаговом повороте образца на угол 9 градусов относительно осей поляризации ПЭП, фиксацией его на каждом шаге и

измерении амплитуды огибающей импульса сдвиговой волны , проходящей через образец. Совокупность указанных измерений в диапазоне от 0 до 360 градусов позволяла получить акустополяриграмму образца, который затем подвергался воздействию факторов выветривания, после чего весь цикл измерений повторялся. Выветривание имитировалось предварительным на-гружением образцов до егтах = ЗОМПа (~ 50% от &сж) и последующим воздействием кислых растворов (рЬ — 2 — 3), содержащих сульфаты Ыа-я Са, с изменением минерализации от 1,5 до 3 г/л. Полученные акустополяриграммы нормировались относительно максимального значения амплитуды сдвиговой волны, которое принималось за единицу.

В качестве показателя степени влияния выветривания на материал образца использовался индекс сохранности, численно равный отношению площадей фигур, заключенных внутри поляриграмм Ф2 и Ф,, полученных соответственно после и до воздействия факторов выветривания:

У=5(Ф2)/5(Ф,). (18)

Площади каждого сектора поляриграмм Фг и Ф, могут быть определены по формулам

5,.(Ф2)=ага(+1(зтг)/2; 5,(Ф1)=6, •¿,+1(8тГ)/2, (19)

где а1, ам и ^, Ьм — последовательные радиус-векторы, направления которых совпадают с границами соответствующих секторов, а длины определяются точками их пересечения с кривой Ф2 и Ф\ соответственно; У -угол между последовательными радиус-векторами.

С учетом (19) из (18) для и секторов имеем

(20)

I 1

На рис. 6 и 7 приведены примеры акустополяриграмм Ф\ и Ф2 образцов карбонатной породы до и после 20 и 25 суток воздействия факторов выветривания (при у = 9', п = 40).

Рис. 6. Нормированные акустополяриграммы образца карбонатной породы до воздействия факторов, имитирующих влияние выветривания (Ф|), и после указанного воздействия в течение 20 суток (Фг)

90°

270°

Рис. 7. Нормированные акустополяриграммы образца карбонатной породы до воздействия факторов, имитирующих влияние выветривания (Ф1), и после указанного воздействия в течение 25 суток (Ф2)

Проведенные исследования показали также, что при относительно больших уровнях выветривания начинает изменяться коэффициент анизотропии образцов К*ау который определяется как отношение размеров наибольшей и наименьшей осей поляриграмм. Показатель М относительного изменения коэффициентов К'а (7^полученных после и до =0) внешних воздействий (где Т, - время воздействия факторов выветривания), может служить дополнительным информативным параметром контроля динамики процесса выветривания, В табл.2 приведены полученные на основе аку-

стополяризационных измерений относительные значения ^.У4 и М при различной продолжительности деструктивных воздействий на карбонатные породы.

Таблица 2

Продолжительность воздействия, сутки 0 5 10 15 20 25 30 35 40

__ и асж 1,00 0,99 0,95 0,86 0,73 0,57 0,45 0,36 0,32

г 1,00 0,8? 0,74 0,62 0,41 0,27 0,18 0,11 0,04

м - - - - 0,04 0,24 0,36 0,45 0,61

В заключение четвертой главы с использованием акустополяризацион-ных и циклических акустоэмиссионных измерений была проведена оценка степени сохранности образцов мрамора Кибик-Кордонского месторождения, изготовленных из взятого с различных глубин керна. Указанная оценка показала, что хотя акустоэмиссионные измерения при определении сохранности геоматериала существенно уступают по информативности акусто-поляризационным измерениям, они обладают почти вдвое большей информативностью, чем традиционные измерения степени сохранности по скоростям распространения продольных упругих волн в исследуемой и эталонной геологической среде.

Заключение

В диссертации, представляющей собой законченную научно-исследовательскую работу, содержатся результаты теоретических и экспериментальных исследований, совокупность которых может квалифицироваться как решение актуальной научной задачи обоснования и разработки ультразвуковых способов оценки возникающей под влиянием выветривания нарушенное™ природного камня, сведения о которой необходимы для рационального выбора техники и технологии его добычи и обработки, определения сфер эффективного использования и прогноза долговечности.

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

1. Разработана теоретическая модель электроакустического .тракта эхо-импульсных ультразвуковых измерений в нарушенных выветриванием образцах горных пород, на основе которой обоснованы оптимальные параметры элементов тракта и показана возможность оценки нарушенности геоматериала по уровню структурных шумов.

2. На основе численного моделирования с использованием разработанной теоретической модели установлена возможность и обоснован алгоритм оценки относительной глубины проникновения нарушенности в исследуемый объект по обратным нормированным зависимостям изменения уровня структурных шумов с расстоянием.

3. Установлена взаимосвязь между отношением донного сигнала и структурного шума с одной стороны, и произведением длины волны зондирующего сигнала на наибольшее значение коэффициента затухания за счет рассеяния на нарушенности - с другой. Для модели экспоненциального убывания указанного коэффициента с глубиной обоснован алгоритм его определения по экспериментальным данным ультразвуковой эхоскопии.

4. Обоснован алгоритм и разработано аппаратурное обеспечение оценки нарушенности выветривания плит облицовочного камня на основе ком-плексирования реализуемых на свободной поверхности ультразвуковых измерений: одночастотных эхоимпульсных и двухчастотных с использованием волнРэлея.

5. Установлено, что показатель сохранности акустоэмиссионной памяти горных пород при их двухцикловом нагружении с возрастающей от цикла к циклу максимальной нагрузкой может быть использован в качестве информативного параметра нарушенности геоматериала под влиянием факторов природного и техногенного выветривания. При этом с увеличением нарушенности значение указанного показателя уменьшается.

6. Установлено, что площадь акустополяриграмм, полученных при аку-стополяризационных ультразвуковых измерениях в образцах геоматериала, может быть использована в качестве информативного параметра нарушенности этих образцов* пёд влиянием факторов выветривания. При этом с увеличением нарушенности площадь акустополяриграмм уменьшается, а коэффициент их анизотропии увеличивается.

7. Проведена оценка степени сохранности горных пород в натурных условиях Кибик-Кордонского мраморного месторождения, показавшая, что акустополяризационные измерения по степени информативности существенно превышают акустоэмиссионные. В то же время последние почти вдвое . более информативны, чем традиционные оценки степени сохранности, полученные по измеренным скоростям распространения продольных волн в исследуемой и эталонной геологической среде.

8. По результатам проведенных исследований разработаны способы оценки нарушенности горных пород под влиянием факторов выветривания на основе эхоимпульсных, акустополяризационных и акустоэмиссионных ультразвуковых измерений и методическое обеспечение их реализации.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах.

1. Шкуратник В.Л., Лавров A.B.,. Колодина И.В. Перспективы использования эффектов памяти для решения задач геофизики и геологии // Труды Международной геофизической конференции «300 лет горногеологической службе России» Санкт-Петербург, 2-6 X, 2000. — С. 613-614.

2. Shkuratnik V.L., Lavrov A.V., Kolodina I.V. Kaiser-Effekt in Gesteinen und Gebirgsspannungsme verfahren auf dessen Grundlage//Proc. EUROCK'2000. - Essen: Gluckauf, 2000. - Pp.543-548.

3. Ермолин A.A., Каледина И.В. Ультразвуковой прибор для оценки степени выветривания облицовочных изделий из природного камня. ГИАБ. -2001.-№3.-С. 62-64.

4. Шкуратник BJL, Колодина И.В. Расчет электроакустического тракта при оценке выветривания плит облицовочного камня ультразвуковым эхометодом. ГИАБ.-2001.-№ 1.-С. 11-15.

5. Колодина И.В. Оценка степени выветривания горных пород на основе акустополяризационных измерений на образцах. ГИАБ. — 2001. - № 3. -С. 39-42.

6. Колодина И.В. Оптимиг-ция параметров ультразвукового эхоконтроля степени выветривания плит облицовочного камня по уровню структурных шумов. ГИАБ. - 2001. - № 4. - С. 51-54.

7. Шкуратник ВЛ., Колодина И.В. Оценка степени поврежденности геоматериалов под влиянием факторов выветривания на основе использования акустоэмиссионного эффекта памяти //Труды IV международной научной конференции «Физические проблемы разрушения горных пород» -М.:ИПКОН РАН. - 2005. - С. 102-104.

8. Колодина И.В., Шкуратник ВЛ. Методика оценки нарушенности геоматериалов под влиянием выветривания с использованием ультразвукового метода отраженных волн: Отдельные статьи Горного информационно-аналитического бюллетеня. - 2006. - № 2. - 20с.

Подписано в печать 07.09.06. Объем 1 п. л. Тираж 100 экз.

Формат 60x90/16 Заказ УР^

Типография Московского государственного университета Москва, Ленинский проспект, д.6

Содержание диссертации, кандидата технических наук, Колодина, Ирина Викторовна

ВВЕДЕНИЕ.

1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ ИЗУЧЕНИЯ ЗОН

ПОВЕРХНОСТНОГО ВЫВЕТРИВАНИЯ ГОРНЫХ ПОРОД.

1.1. Характеристика выветривания как одного из процессов природной и техногенной экзодинамики.

1.2. Влияние выветривания на свойства и состояние горных пород, условия эксплуатации месторождений и процессы горного производства.

1.3. Общая характеристика задач и методов изучения выветривания в массиве горных пород и отдельных структурных его элементах.

1.4. Применение геофизических методов для изучения зон выветривания в горных породах.

1.5. Выводы и постановка задач исследований.

2. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ПРИМЕНЕНИЯ

УЛЬТРАЗВУКОВОГО ЭХО-МЕТОДА ДЛЯ ОЦЕНКИ

НАРУШЕПНОСТИ ОБРАЗЦОВ ГЕОМАТЕРИАЛОВ ПОД

ВЛИЯНИЕМ ФАКТОРОВ ВЫВЕТРИВАНИЯ.

2.1. Выбор параметров модели контроля нарушенное™ образцов геоматериалов по уровню структурных шумов ультразвуковой эхолокации.

2.2. Расчет электроакустического тракта при контроле состояния образцов геоматериалов эхо-методом.

2.3. Оценка информативных параметров эхо-метода при контроле нарушенности геоматериалов по уровню структурных шумов.

2.4. Основы методики контроля нарушенности образцов геоматериалов ультразвуковым эхо-методом по уровню структурных шумов.

2.5. Обоснование способа ультразвукового контроля нарушенности плит облицовочного камня на основе комплексирования эхо-локации и поверхностного прозвучивания с использованием волн Рэлея.

ВЫВОДЫ.

3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ВЛИЯНИЯ ВЫВЕТРИВАНИЯ НА СТЕПЕНЬ НАРУШЕННОСТИ ГЕОМАТЕРИАЛОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ УЛЬТРАЗВУКОВОГО ЭХО-МЕТОДА.

3.1. Качественная оценка степени нарушенности геоматериала по уровню структурных шумов, возникающих при ультразвуковой эхоскопии исследуемых образцов.

3.2. Использование структурных шумов, возникающих при ультразвуковой эхоскопии геоматериала для определения границ слоев с существенно различной нарушенностью.

3.3. Использование ультразвуковой эхоскопии для опенки степени нарушениости и глубины нарушенной зоны геоматериала под влиянием факторов выветривания.

3.4. Оценка степени выветривания облицовочных изделий из природного камня на основе сочетания ультразвуковой эхоскопии и поверхностных измерений с использованием волн Рэлея.

ВЫВОДЫ.

4. ОЦЕНКА СТЕПЕНИ ПОВРЕЖДЕННОСТИ ГЕОМАТЕРИАЛОВ ПОД ВЛИЯНИЕМ ФАКТОРОВ ВЫВЕТРИВАНИЯ НА ОСНОВЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ АКУСТОЭМИССИОННОГО ЭФФЕКТА ПАМЯТИ И УЛЬТРАЗВУКОВЫХ АКУСТОПОЛЯРИЗАЦИОННЫХ

ИЗМЕРЕНИЙ НА ОБРАЗЦАХ.

4.1. Показатель сохранности памяти как мера поврежденности геоматериала.

4.2. Постановка экспериментальных исследований по установлению взаимосвязи между степенью выветривания геоматериалов и показателем сохранности памяти в них.

4.3. Результаты экспериментальных исследований по установлению взаимосвязи между степенью выветривания доломитизированного известняка и показателем сохранности памяти в нем.

4.4. Способ оценки степени выветривания горных пород на основе ультразвуковых акустополяризационных измерений на образцах.

4.5. Оценка степени выветривания мрамора в условиях его естественного залегания на основе различных видов ультразвуковых измерений на образцах.

ВЫВОДЫ.

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Обоснование и разработка ультразвуковых способов оценки нарушенности природного камня под влиянием факторов выветривания"

Выветривание представляет собой один из наиболее значимых процессов природной и техногенной экзодинамики. Оно носит повсеместный и непрерывный характер, отличается чрезвычайным разнообразием и сложностью конкретных механизмов и проявлений, широким диапазоном влияния на состав, строение, структурно-текстурные особенности и свойства горных пород. Неизбежным следствием этого влияния являются механическое разуплотнение, структурная дезинтеграция и, в конечном счете, разномасштабная нарушснность исходного геоматериала. Сведения о степени и границах этой нарушенности составляют неотъемлемую часть информационного обеспечения эффективного и безопасного ведения горных работ, строительства и эксплуатации подземных сооружений различного назначения. Особенно важно получение такой информации при добыче, обработке, определении сфер рационального использования и прогнозе долговечности природного камня и изделий из него, прежде всего облицовочных.

Для оценки нарушсниости горных пород под влиянием факторов выветривания в настоящее время используются разнообразные инженерно-геологические и геофизические методы. Принято считать, что среди последних наиболее эффективны акустические методы, информативные параметры которых связаны устойчивыми корреляционными связями с плотностными, упругими и прочностными свойствами горных пород, а следовательно, и с их интегральной нарушенностью.

Особое место среди акустических методов геоконтроля занимают так называемые ультразвуковые методы, основанные на применении упругих волн различных типов, частота которых превышает 20 кГц и в ряде случаев может достигать 1 МГц и более. Указанные методы допускают проведение исследований как непосредственно в массиве, так и на образцах (керне), плитах и блоках горных пород, отличаются высокими информативностью, чувствительностью и пространственной разрешающей способностью. Однако в практике изучения зон выветривания геоматериалов в настоящее время используются только активные ультразвуковые методы, реализующие прозву-чивание на продольных волнах и ограничивающиеся использованием кинематических характеристик импульсного акустического сигнала в качестве информативных. Как следствие потенциальные возможности ультразвуковых методов реализуются не полностью, что и предопределяет актуальность их совершенствования путем использования нетрадиционных для изучения выветривания схем, режимов и информативных параметров контроля.

Исследования, результаты которых представлены в настоящей работе, проводились при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (гранты №№ 99-05-65575, 01-05-64105), а также в рамках утвержденных Минобразованием РФ планов НИР МГГУ по темам: «Разработка ультразвуковых методов оценки нарушенное™ горных пород под влиянием природного и техногенного выветривания» (№ гос. регистрации 01200211914) и «Теоретическое и экспериментальное обоснование изучения структуры, свойств и состояния горных пород на основе принципов ультразвуковой эхо-скопии» (№ гос. регистрации 01200304882).

Идея работы заключается в использовании для оценки нарушенности горных пород под влиянием факторов выветривания нетрадиционных для такой оценки способов геоконтроля на базе эхо-имнульсных, акустоэмиссион-ных и акустополяризационных измерений в ультразвуковом диапазоне частот.

Цель работы - установление взаимосвязей между степенью нарушенное™ горных пород, с одной стороны, и информативными параметрами эхо-импульсных, акустоэмиссионных и акустополяризационных ультразвуковых измерений - с другой, для разработки на этой основе соответствующих способов геоконтроля.

Указанная цель предполагает решение следующих основных задач: - разработать теоретическую модель, провести расчет электроакустического тракта, обосновать и оценить информатавные параметры контроля выветривания геоматериалов с использованием ультразвуковых эхо-импульсных измерений;

- на основе разработанной теоретической модели провести численное моделирование изменения информативных параметров ультразвуковой эхо-скопии геоматериалов в функции от их нарушенности;

- разработать методическое и аппаратурное обеспечение оценки степени выветрелости геоматериалов ультразвуковым эхо-импульсным методом с использованием структурных шумов в качестве информативного параметра контроля;

- разработать алгоритм и аппаратурное обеспечение оценки нарушенности плит облицовочного камня неизвестной толщины на основе комплектования реализуемых на свободной поверхности эхо-импульсных ультразвуковых измерений и двухчастотных ультразвуковых измерений с использованием волн Рэлея;

- обосновать и экспериментально оценить возможность оценки степени выветрелости геоматериалов на основе акустоэмиссиоиных и акустоноляри-зационных измерений в ультразвуковом диапазоне частот.

Основные научные положения, выносимые на защиту:

1. Обусловленную выветриванием нарушенность горных пород при ее исследовании ультразвуковым эхо-методом целесообразно характеризовать двумя параметрами - коэффициентом затухания продольных волн вследствие рассеяния в приповерхностной области контроля и глубиной, на которой этот коэффициент уменьшается в е раз. При этом значения указанных параметров могут быть получены по измеренным уровням донного сигнала и структурных шумов, соответствующих различным глубинам, путем их сравнения с данными численного моделирования на основе теоретической модели ультразвуковой эхоскопии нарушенного геоматериала.

2. Оценка степени выветрелости плит облицовочного камня при одностороннем доступе к ним может быть осуществлена на основе сравнения между собой скоростей распространения рэлеевских волн, измеренных на двух отличающихся в 1,5 - 2 раза рабочих частотах, и сравнения каждой из них со скоростью распространения продольных волн, полученной на основе двух типов время-импульсных ультразвуковых измерений в эхо-режиме, первый из которых осуществляется с использованием совмещенного преобразователя, а второй - разнесенных относительно друг друга приемного и излучающего преобразователей.

3. Степень сохранности геоматериала, подверженного влиянию выветривания, может быть оценена на основе измерения показателя сохранности акустоэмиссионного эффекта памяти Р11 при двухцикловом нагружении образцов с возрастающей от цикла к циклу нагрузкой. Получаемый в результате этих измерений индекс сохранности J(FR) представляет собой отношение показателей соответствующих исследуемому и условно эталонному образцам при одинаковых режимах их нагружения. При J{FR) -> 1 степень сохранности геоматериала максимальна, а при J{FR) 0 - минимальна.

4. Степень сохранности геоматериала, подверженного влиянию выветривания, может быть оценена на основе акустополяризационных измерений, обеспечивающих определение соответствующего индекса сохранности У4, представляющего собой отношение площадей акустополяриграмм, полученных в исследуемом и эталонном, т.е. условно ненарушенном образцах. При ]А ->1 степень сохранности максимальна, а при ]А 0 - минимальна.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются:

- удовлетворительной сходимостью рассчитанных теоретически и измеренных экспериментально характеристик и параметров элементов электроакустического тракта ультразвуковой эхоскопии нарушенных выветриванием геоматериалов;

- удовлетворительной сходимостью (с погрешностью не превышающей несколько процентов) результатов оценки глубины приповерхностной нарушенности геоматериалов, полученных по данных ультразвуковой эхоскопии 8 и послойного контроля этих материалов с использованием волн Рэлея;

- хорошей воспроизводимостью установленных взаимосвязей информативных параметров предложенных способов ультразвукового контроля геоматериалов со степенью нарушенности последних при многократных измерениях;

- использованием при проведении экспериментов хорошо зарекомендовавшего себя и обладающего высокими метрологическими характеристиками аппаратурного обеспечения ультразвуковых измерений.

Научное значение работы заключается в разработке теоретической модели электроакустического тракта ультразвуковой эхоскопии горных пород, учитывающей экспоненциальный характер изменения их нарушенности с глубиной, а также в установлении взаимосвязей между информативными параметрами эхоимпульсных, акустоэмиссионных и акустополяризационных ультразвуковых измерений в горных породах с одной стороны и степенью их нарушенности под влиянием факторов выветривания - с другой.

Практическая ценность работы состоит в разработке способов оценки степени нарушенности горных пород под влиянием факторов выветривания, основанных на эхоимпульсных, акустоэмиссионных и акустополяризационных ультразвуковых измерениях, а также аппаратурного и методического обеспечения для их реализации.

Реализация работы. В рамках диссертации создана «Методика оценки нарушенности горных пород под влиянием факторов выветривания с использованием ультразвукового метода отраженных волн», которая утверждена в МГГУ и передана для практического использования в ФГУП «ВНИПИИстромсырье». Кроме того материалы диссертации используются в лекционном и лабораторном курсах дисциплины «Горная геофизика», читаемой студентам специальности «Физические процессы горного или нефтегазового производства» физико-технического факультета МГГУ.

Апробация работ. Основные положения диссертации докладывались 9 на научных симпозиумах «Неделя горняка» (Москва, 2000, 2001, 2006гг.). Международном симпозиуме «EUROCK 2000» (Aachen 2000), Международной геофизической конференции «300 лет горно-геологической службе России» (С-Петербург, 2000), XVI Сессии Российского акустического общества (Москва, 2005), Международной конференции «Физические проблемы разрушения горных пород» (Москва, 2005).

Публикации. Результаты выполненных исследований отражены в 8 печатных работах.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения, изложенных на 159 страницах, содержит 39 рисунков, 11 таблиц, список литературы из 87 источников.

Заключение Диссертация по теме "Горнопромышленная и нефтегазопромысловая геология, геофизика, маркшейдерское дело и геометрия недр", Колодина, Ирина Викторовна

выводы

В рамках четвертой главы были проведены исследования деструктивных изменений в геоматериалах на основе сочетания так называемого «метода вещественного моделирования» (обеспечивающего воспроизведение в лабораторных условиях влияния природных и техногенных факторов выветривания) и методов акустополяризационных и циклических акустоэмиссионных измерений в ультразвуковом диапазоне частот. Указанные исследования показали следующее:

1. Степень сохранности геоматериала, подверженного влиянию факторов выветривания, может быть оценена на основе акустополяризационных измерений, обеспечивающих определение соответствующего индекса сохранности 3А, представляющего собой отношение площадей акустополяри-грамм, полученных в исследуемом образце и условно эталонном, на который факторы выветривания не воздействовали. При 3А -»1 степень сохранности

• геоматериала максимальна, а при Jл 0 - минимальна.

2. Степень сохранности геоматериала, подверженного влиянию факторов выветривания, может быть оценена на основе измерения показателя сохранности акустоэмиссионной памяти БЯ при двухцикловом нагружении образцов с возрастающей от цикла к циклу нагрузкой. Полученный в результате этих измерений индекс сохранности геоматериала J(FR) представляет собой отношение показателей БЯ, соответствующих исследуемому и условно эталонному образцам при одинаковых режимах их нагружения. При 7(^7?)-»1 степень сохранности геоматериала максимальна, а при 0 -минимальна.

3. В качестве дополнительного информативного параметра контроля степени динамики процесса выветривания может служить показатель М от» носительного изменения коэффициентов анизотропии акустополяриграмм, ^ полученных после и до внешних воздействий выветривания.

4. Акустополяризационные и циклические акустоэмиссионные измерения на образцах позволяют оценивать как степень сохранности геоматериала (индекс сохранности), так и степень его выветривания (коэффициент выветривания), которые, по сути, являются обратными по отношению друг к другу показателями (увеличение одного из них приводит к уменьшению другого и наоборот).

5. Оценка степени сохранности горных пород в натурных условиях Ки-бик-Кордонского мраморного месторождения с использованием акустополя-ризационных и циклических акустоэмиссионных измерений на образцах, взятых с различных глубин, показала, что первые из них наиболее информативны. Что касается циклических акустоэмиссионных измерений, то, хотя они при определении сохранности геоматериала существенно уступают по информативности акустополяризационным измерениям, однако обладают почти вдвое большей информативностью, чем традиционные измерения степени сохранности по скоростям распространения продольных упругих волн в исследуемой и эталонной геологической среде.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертации, представляющей собой законченную научно-исследовательскую работу, содержатся результаты теоретических и экспериментальных исследований, совокупность которых может квалифицироваться как решение актуальной научной задачи обоснования и разработки ультразвуковых способов оценки, возникающей под влиянием выветривания нарушенное™ природного камня, сведения о которой необходимы для рационального выбора техники и технологии его добычи и обработки, определения сфер эффективного использования и прогноза долговечности.

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

1. Разработана теоретическая модель электроакустического тракта эхо-импульсных ультразвуковых измерений в нарушенных выветриванием образцах горных пород, на основе которой обоснованы оптимальные параметры элементов тракта и показана возможность оценки нарушенности геоматериала по уровню структурных шумов.

3. Установлена взаимосвязь между отношением донного сигнала и структурного шума, с одной стороны, и произведением длины волн зондирующего сигнала на наибольшее значение коэффициента затухания за счет рассеяния на нарушенности - с другой. Для модели экспоненциального убывания указанного коэффициента с глубиной обоснован алгоритм его определения по экспериментальным данным ультразвуковой эхоскопии.

4. Обоснован алгоритм и разработано аппаратурное обеспечение оценки нарушенности выветривания плит облицовочного камня на основе комплексирования реализуемых на свободной поверхности ультразвуковых измерений: одночастотных эхо-импульсных и двухчастотных с использованием волн Рэлея.

6. Установлено, что площадь акустополяриграмм, полученных при аку-стополяризационных ультразвуковых измерениях в образцах геоматериала может быть использована в качестве информативного параметра нарушенности этих образцов под влиянием факторов выветривания. При этом с увеличением нарушенности площадь акустополяриграмм уменьшается а коэффициент их анизотропии увеличивается.

7. Проведена оценка степени сохранности горных пород в натурных условиях Кибик-кордонского мраморного месторождения, показавшая, что акустополяризационные измерения по степени информативности существенно превышают акустоэмиссионные. В то же время последние почти вдвое более информативны, чем традиционные оценки степени сохранности, полученные по измеренным скоростям распространения продольных волн в исследуемой и эталонной геологической среде.

8. По результатам проведенных исследований разработаны способы оценки нарушенности горных пород под влиянием факторов выветривания на основе эхо-импульсных, акустополяризационных и акустоэмиссионных ультразвуковых измерений и методическое обеспечение их реализации.

Кузькин В.И., Ярг Л.А., Кочетков М.В. Методическое руководство по изучению инженерно-геологических условий рудных месторождений. М.- Издательство Редакционно-издательского центра ВИМС. 2001.

Беликов Б.П., Петров В.П. Облицованный камень и его оценка. М.: «Наука», 1997.

Ярг J1.A. Изменение Физико-механических свойств горных пород при выветривании. М: «Недра», 1974.

Лащук В.В. Долговечность облицовочного камня Кольского полуострова. Апатиты: Издательство КНЦ РАН, 1996. Заварзина М.В. Строительная климотология. - JL: Гидрометеоиздат, 1976.

Luckat S. Intersuchuhgen zum Schutz von Suchgatern aus Naturstein vor Luftverunreinigungen. - Staub Reinhaltund der Luft. - 1972, N 5. S.211-220. * Luckat S. Die Wirkung yon Luftverunreinigungen bein Strinzerfall. Staub Reinhaltung der Luft - 1973, N 7, - S.283-285. *

Kovacs Geza. A vegyianyagok szerepe az epitokowek felbasznalasa teruleter. - Szakip. techn. - 1974, N 2. - S.46-48. Niesei K. Zur. Werwitterung von Baustoffen in Schwefeloxidnaltiger Atmosphäre. Literaturdiskussion. - Fortchritte der Mineralogie. B. 57, H. 1,1979. -S.68-124.

Ломтадзе В.Д. Инженерная геология месторождений полезных ископаемых-Л.: «Недра», 1986.

Пашкин Е.М. Инженерно-геологические исследования при строительстве тоннелей-М.: «Недра», 1981.

Молоков Л.А. Инженерно-геологические процессы - М.: «Недра»,

1988.

Кузькин В.И., Кочетков М.В. Ярг Л.А. Техногенное выветривание на рудных месторождениях.-M.: «Геоинформмарк», 1993.

14. Воронкевич С.Д. О техногенно-геохимических системах в инженерной геологии // Инженерная геология, 1980, №5 с. 3-13.

15. Дорфман М.Д. О современных процессах выветривания Хибинского щелочного массива // ДАН СССР, 1972,205, №4, с. 848-951.

16. Сергеев Е.М. Методическое пособие по инженерно-геологическому изучению горных пород. -М.: «Недра», 1984. -Т. 1 и 2.

17. Мироненко В.А., Гречищев С.Е. Проблемы прогнозирования изменений геологической среды под влиянием техногенных воздействий // Проблемы рационального использования геологической среды. -М.: Издательство АН СССР, 1988.

18. Ржевский В.В., Новик Г.Я. Основы физики горных пород. - М.: «Недра», 1984.

19. Новик Г.Я., Зильбершмидт М.Г. Управление свойствами пород в процессе горного производства. - М.: «Недра», 1994.

20. Петрофизика. Справочник в 3-х книгах/Под ред. Н.Б. Дортман. - М.: «Недра», 1992.

21. Новик Г.Я., Ржевская C.B. «Физико-техническое обеспечение горного производства. -М.: «Недра», 1995.

22. Ржевский В.В. «Физико-технические параметры горных пород». -М.: «Наука», 1975.

23. Ямщиков B.C., Нисневич M.JI. Контроль качества на предприятиях нерудных строительных материалов. М.: Стройиздат, 1981.

24. Комащенко В.Н., Носков В.Ф., Лебедев Ю.А. Буровзрывные работы. -М.: «Недра», 1995.

25. Якобашвили О.П. Обобщение мирового опыта механического рыхления горных пород на единой физической основе // В сб. Актуальны вопросы теории открытых разработок. М.: ИПКОН АН СССР, 1984, с. 132-150.

26. Турганинов И.А., Иофис М.А., Каспарьян Э.В. Основы механики горных пород. - М.: «Недра», 1977.

27. Линьков A.M. Об усилении сейсмических волн вблизи нарушений // ФТПРПИ, №4,2001, с. 3-18.

28. Линьков A.M., Дурхейм Р.Д. Усиление волн и динамические явления в горных породах. Сб. докладов международной конференции «Горная геофизика». - Санкт-Петербург: ВНИМИ, 1998.

29. Виноградов С.Д., Капустян Н.К. Техногенные вибрации в геодинамике: физическое моделирование и натурные наблюдения // Сб. «Современная геодинамика, глубинное строение и сейсмичность платформенных территорий и сопредельных районов», Воронеж, с. 49-51,2001.

30. Капустян Н.К. Сейсмический мониторинг воздействий техногенных вибраций на земную кору. Диссертация на соискание ученой степени доктора физико-математических наук. М.: ОИФЗ РАН, 2002.

31. Каспарян Э.В. Устойчивость горных выработок в скальных породах. -Л.: «Недра», 1985. *

32. Гвоздецкий H.A. Инженерно-геологические особенности разных типов карста // Инженерная геология карста. Пермь. 1992.

33. Молоков Л.А. Инженерно-геологические процессы. - М.: «Недра», 1985.

34. Ляховицкий Ф.М., Хмелевской В.К., Ященко З.Г. Инженерная геофизика.-М.: «Недра», 1989.

35. Воронкевич С.Д. О техногенно-геохимических системах в инженерной геологии // Инженерная геология. - 1980, №5, с.3-13.

36. Шкуратник В.Л. Исследование и разработка спектрального метода акустической дефектоскопии природного камня // Дисс. на соискание ученой степени к.т.н., М.: МГИ, 1977.

Сычев Ю.Н. Пособие по экспресс - оценке состояния каменной облицовки фасадов. М.: ВНИПИИстромсырье, 1999. Потапов В.А. Энергия очагов и интенсивность землятресений в структурно неоднородной земной коре. Сб. «Науки о земле». Современные проблемы сейсмологии. М.: Вузовская книга 2001, с. 130-151.

Шкуратник B.JI. Измерения в физическом эксперименте. М.: Издательство АГН, 2000.

Комплексные инженерно-геофизические исследования при строительстве гидротехнических сооружений / А. И. Савич, Б. Д. Куюнджич, В. И. Коптев и др.; Под ред. А. И. Савича, Б. Д. Куюнджича. — М.: Недра, 1990.

Методы геофизики в гидрогеологии и инженерной геологии / B.C. Матвеев, В.Н. Чубаров, Г.Я. Черняк и др. — М.: Недра, 1985. Hamrol A., A Quantitative classification of the weathering and weatherability of rocks. Proc. of the 5th Internal. Conference on Soil Mechanics and Found. Engineering, II. 7/3, -Paris, 1961. Шкуратник B.JI. Горная геофизика. Ультразвуковые методы. М.: МГИ, 1990.

Ямщиков B.C. Волновые процессы в массиве горных пород. — М.: Недра, 1984.

Ржевский В.В., Якобашвили О.П., Цикин А.И., Сафронова И.Б. Методические указания по оценке механического состояния горных массивов с помощью упругих волн. М.: Ротапринт СФГГП ИФЗ АН СССР. 1976.

Никитин В.Н. Основы инженерной сейсмики. - М.: изд. МГУ, 1981. Ратинов В.Б., Дзенис В.В., Новике Ю.А., Грабис Я.Р. Ультразвуковой способ оценки влияния внешней среды на состояние поверхности строительных материалов. // Строительные материалы, 1971, №2, с. 13-19.

48. Вепринцев В.И. Акустическая диагностика свойств и трещиновато-сти массива с помощью шумовых сигналов от рабочих органов машин на карьерах природного камня. Диссертация на соискание уч. степени к.т.н. М.: МГИ, 1975.

49. Шкуратник B.JL, Ямщиков B.C. Идентификация массива горных пород по результатам измерения спектральных характеристик акустического сигнала. // В сб. «Доклады IX Всесоюзной акустической конференции. М.: Изд. ВИНИТИ, 1978, с. 29-34.

50. Азиев Д. А. Разработка ультразвукового метода контроля структурной поврежденности облицовочного мрамора под влиянием экстремальных воздействий. Дис. на соискание уч. степени к.т.н. М.: МГТУ, 1998.

51. Кайно Г. Акустические волны: Устройства, визуализация и аналоговая обработке сигналов. Пер. С англ.- М.: Мир, 1990.

52. Crampin S. Evaluation of anisotropy by shear- wave splitting.-Geophysics, 1985,50, N1, p. 142-152.

53. Горбацевич Ф.Ф. Акустополярископия горных пород.- Апатиты: Изд-во КНЦ РАН, 1995.

54. Якобашвили О.П. Сейсмические методы оценки состояния массивов горных пород на карьерах. - М.: ИПКОН РАН, 1992.

55. Ермолов И.Н. Теория и практика ультразвукового контроля. - М.: Машиностроение, 1981.

56. Шкуратник B.JI., Лавров A.B. Эффекты памяти в горных породах. Физические закономерности, теоретические модели - М.: Издательство АГН, 1997.

57. Shkuratnik V.L., Lavrov A.V., Kolodina I.V. Kaiser-Effekt in Gesteinen und Gebirgsspannungsme verfahren auf dessen Grundlage//Proc. EUROCK'2000. - Essen: Gluckauf, 2000, pp.543-548.

58. Данилов B.H. К расчету коэффициента затухания упругих волн при рассеянии в поликристаллических средах.//Дефектоскопия, ф

1989, № 8, с. 18-23.

59. Ржевский В.В., Ямщиков B.C. Акустические методы исследования и контроля горных пород в массиве - М.: Наука, 1973,224 с.

60. Данилов В.Н., Басацкая JI.B. Расчет коэффициентов отражения продольных упругих волн от сферического дефекта. // Дефектоскопия, 1986, №9, с. 88-90.

61. Данилов В.Н., Щербаков A.A. К определению разрешающей способности ультразвуковых дефектоскопов по дальности.// Дефектоскопия, 1998, №3, с. 54-60.

62. Данилов В.Н., Воронков В.А., Изофатова Н.Ю. Исследование амплитудно-частотной характеристики акустического тракта прямого преобразователя в режиме излучения. // Дефектоскопия, 1996, №3, с. 37-45.

63. Шкуратник B.JI., Бочкарева Т.Н. Теория электроакустического тракта при межскважинном прозвучивании горных пород околовырабо-точного пространства. -//Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых, 1996, № 6, с. 44-52.

64. Бреховских JI.M., Годин O.A. Акустика слоистых сред. - М.: Наука, 1989,412с.

65. Ямщиков B.C., Данилов В.Н., Шкуратник B.JI. Особенности возбуждения и приема упругих волн в твердом слое преобразователем поршневого типа, // Дефектоскопия, 1988, № 3, с. 16-23.

66. Королев М.В., Карпельсон А.Е. Широкополосные ультразвуковые преобразователи. -М.: Машиностроения, 1982,158 с.

67. Воронков В.А., Данилов В.Н. К вопросу о выборе модели расчета электроакустического тракта ультразвукового преобразователя. Дефектоскопия, 1996, № 1, с. 27-32.

68. Методы акустического контроля металлов/ Н.П. Алешин, В.Е. Белый, А.Х. Вопилкин и др.: Под.ред. Алешина - М.: Машиностроение, 1989.

69. Акустическая диагностика и контроль на предприятиях топливно-энергетического комплекса / В.М. Баранов, А.И. Гриценко, A.M. Карасевич и др. - М.: Наука, 1998.

70. Ермолин А.А., Колодина И.В. Ультразвуковой прибор для оценки степени выветривания облицовочных изделий из природного камня. //ГИАБ, 2001 №3, с. 62-64.

71. Лавров А.В., Шкуратник B.JL, Филимонов Ю.Л. Акустоэмиссионный эффект памяти в горных породах. - М.: Издательство МГГУ, 2004.

72. Li С., Nordlund Е. Experimental verification of the Kaiser effect rocks// Rock Mehanics and Rock Enginering, 1993, v.26,№4, pp 333-351.

73. Лавров A.B., Филимонов Ю.Л., Шафаренко E.M., Шкуратник В.Л. Экспериментальное исследование эффектов памяти в каменной соли при различных режимах циклического нагружения // В сб.: Физика и механика геоматериалов. - М.: Вузовская книга, 2001. - с.73-93

74. Dyskin А.V., Germanovich L.N., Ustinov К.В/ А 3-D model of wing crack growth and interaction // Engineering Fracture Mechanics/ - 1999. -v.63.-№l.-P. 81-110.

75. Kranz R.L. Crack - crack and crack - pore interaitions in stressed granite //Int. J. Rock Mechanics Min. Sci. - 1979.-v. 16.-№l.-P.37-47.

76. Yoshikawa S. Modi K. Expepimental studies on the effect of stress history on aconstic emission activity a possibility for es timation of rock stress // Jonrtnal of Aconstic Emission. - 1989. v.8. - №4. - P.l 13-123.

77. Вознесенский A.C., Оксенкруг E.C., Тавостин M.H., Филимонов Ю.Л., Шафаренко. Акустическая эмиссия в каменной соли на стадиях затухания и установившейся ползучести // Проблемы геоакустики: методы и средства: Сб. тр. V сессии Российского акустического общества. - М.: Издательство МГГУ, 1996. - с. 177-180. to

78. Voznesensky A.S., Demtchichin Yu.V. AE signal computer processing at the gas storage cavern development // beoecology and Computers. Proc. 3rd Int. Conf. on Aolvances of Camputer Methods in Geotechnixal and beoenviranmental Engineering. - Rotterdam: AJAJ Balkema, 2000.-P.377-382.

79. Шкуратник B.JL, Колодина И.В. Оценка степени поврежденности геоматериалов под влиянием факторов выветривания на основе использования акустоэмиссионного эффекта памяти //Труды IV международной научной конференции «Физические проблемы разрушения горных пород» - М:ИПКОН РАН, 2005., с.102-104.

80. Васильев B.C. Кибик-Кордонское месторождение мрамора // Разведка и охрана недр. - 1971. - №3. с. 18-24. М.: ИПКОН РАН, 2004.

81. Ямщиков B.C., Шкуратник B.JI. Акустическая спектроскопия массива горных пород // ФТПРПИ. -1978, №2, с. 116-123.

82. Ямщиков B.C., Носов В.Н. Аппаратура для ультразвуковой статистической дефектоскопии крупноструктурных материалов // Дефектоскопия. - 1975, №1. с. 18-26.

83. Шкуратник B.JL Аппаратурное обеспечение ультразвуковых методов геоконтроля // Горный журнал. - 1999, №1. с. 27-30.

84. Шкуратник B.JL, Лавров A.B., Колодина И.В. Перспектива использования эффектов памяти для решения задач геофизики и геологии // Труды Международной геофизической конференции «300 лет горно-геологической службе России» Санкт-Петербург, 2-6 X, 2000г., с. 613-614.

85. Шкуратник В.Д., Колодина И.В. Расчет электроакустического тракта при оценке выветривания плит облицовочного камня ультразвуковым эхо-методом. ГИАБ № 1,2001, с. 11-15.

86. Колодина И.В. Оценка степени выветривания горных пород на основе акустополяризационных измерений на образцах. ГИАБ, № 3, 2001, с. 39-42.

Колодина И.В. Оптимизация параметров ультразвукового эхоконтроля степени выветривания плит облицовочного камня по уровню структурных шумов. ГИАБ, № 4,2001, с.51-54.

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Колодина, Ирина Викторовна, Москва

1. Кузькин В.И., Ярг Л.А., Кочетков М.В. Методическое руководство по изучению инженерно-геологических условий рудных месторож-дений. М.- Издательство Редакционно-издательского центра ВИМС.2001.

2. Беликов Б.П., Петров В.П. Облицованный камень и его оценка. М.: «Паука», 1997.

3. Ярг Л.А. Изменение Физико-механических свойств горных пород при выветривании. М: «Педра», 1974.

4. Лащук В.В. Долговечность облицовочного камня Кольского полу- острова. Апатиты: Издательство КПЦ РАН, 1996.

5. Заварзина М.В. Строительная климотология. - Л.: Гидрометеоиздат, 1976.

6. Luckat S. Intersuchuhgen zum Schutz von Suchgatem aus Naturstein vor 1.uftveranreinigungen. - Staub Reinhaltund der Luft. -1972, N 5. S.211-220. ^

7. Luckat S. Die Wirkung yon Luftverunreinigungen bein Strinzerfall. Staub Reinhaltung der Luft -1973, N 7, - S.283-285. *

8. Kovacs Geza. A vegyianyagok szerepe az epitokowek felbasznalasa teruleter. - Szakip. techn. -1974, N 2. - S.46-48.

9. Niesel K. Zur. Werwitterung von Baustoffen in Schwefeloxidnaltiger Atmosphare. Literaturdiskussion. - Fortchritte der Mineralogie. B. 57, П.1,1979. -S.68-124.

10. Ломтадзе В.Д. Инженерная геология месторождений полезных ископаемых-Л.: «Педра», 1986.

11. Пашкин Е.М. Инженерно-геологические исследования при строительстве тоннелей-М.: «Педра», 1981.

12. Молоков Л.А. Инженерно-геологические процессы - М.: «Педра», 1988.

13. Кузькин В.И., Кочетков М.В. Ярг Л.А. Техногенное выветривание 151на рудных месторождениях.-М.: «Геоинформмарк», 1993.

14. Воронкевич Д. О техногенно-геохимических системах в инженер- ной геологии // Инженерная геология, 1980, К^5 с. 3-13.

15. Дорфман М.Д. О современных процессах выветривания Хибинского щелочного массива // ДАН СССР, 1972,205, .№4, с. 848-951.

17. Мироненко В.А., Гречищев СЕ. Нроблемы прогнозирования изменений геологической среды под влиянием техногенныхвоздействий // Нроблемы рационального использованиягеологической среды. - М.: Издательство АН СССР, 1988.

18. Ржевский В.В., Новик Г.Я. Основы физики горных пород. - М.: «Недра», 1984.

19. Новик Г.Я., Зильбершмидт М.Г. Управление свойствами пород в процессе горного производства. - М.: «Недра», 1994.

20. Нетрофизика. Справочник в 3-х книгах/Нод ред. Н.Б. Дортман. - М.: «Недра», 1992.

21. Новик Г.Я., Ржевская СВ. «Физико-техническое обеспечение горного производства. -М.: «Недра», 1995.

22. Ржевский В.В. «Физико-технические параметры горных пород». - М.: «Наука», 1975.

23. Ямщиков B.C., Нисневич М.Л. Контроль качества на предприятиях нерудных строительных материалов. М.: Стройиздат, 1981.

24. Комащенко В.Н., Носков В.Ф., Лебедев Ю.А. Буровзрывные работы. -М.: «Недра», 1995.

25. Якобашвили О.Н. Обобщение мирового опыта механического рыхления горных пород на единой физической основе // В сб.Актуальны вопросы теории открытых разработок. М.: РШКОН АНСССР, 1984, с. 132-150.

26. Турганинов И.А., Иофис М.А., Каспарьян Э.В. Основы механики 152горных пород. - М.: «Недра», 1977.

27. Линьков A.M. Об усилении сейсмических волн вблизи нарушений // ФТПРПИ, №4,2001, с. 3-18.

28. Линьков A.M., Дурхейм Р.Д. Усиление волн и динамические явле- ния в горных породах. Сб. докладов международной конференции«Горная геофизика». - Санкт-Петербург: ВНИМИ, 1998.

29. Виноградов Д., Капустян Н.К. Техногенные вибрации в геодинамике: физическое моделирование и натурные наблюдения //Сб. «Современная геодинамика, глубинное строение и сейсмичностьплатформенных территорий и сопредельных районов», Воронеж, с.49-51,2001.

30. Капустян Н.К. Сейсмический мониторинг воздействий техногенных вибраций на земную кору. Диссертация на соискание ученойстепени доктора физико-математических наук. М.: ОИФЗ РАН,2002. •

31. Каспарян Э.В. Устойчивость горных выработок в скальных породах. -Л.: «Недра», 1985. '

32. Гвоздецкий Н.А. Инженерно-геологические особенности разных типов карста // Инженерная геология карста. Пермь. 1992.

33. Молоков Л.А. Инженерно-геологические процессы. - М.: «Недра», 1985.

34. Ляховицкий Ф.М., Хмелевской В.К., Ященко З.Г. Инженерная геофизика.-М.: «Недра», 1989.

35. Воронкевич Д. О техногенно-геохимических системах в инженерной геологии // Инженерная геология. - 1980, №5, с.3-13.

36. Шкуратник В.Л. Исследование и разработка спектрального метода акустической дефектоскопии природного камня // Дисс. насоискание ученой степени к.т.н., М.: МГИ, 1977.153

37. Сычев Ю.Н. Пособие по экспресс - оценке состояния каменной об- лицовки фасадов. М.: ВНИПИИстромсырье, 1999.

38. Потапов В.А. Энергия очагов и интенсивность землятресений в структурно неоднородной земной коре. Сб. «Науки о земле». Со-временные проблемы сейсмологии. М.: Вузовская книга 2001, с.130-151.

39. Шкуратник В.Л. Измерения в физическом эксперименте. М.: Издательство АГН, 2000.

40. Комплексные инженерно-геофизические исследования при строительстве гидротехнических сооружений / А. И. Савич, Б. Д.Куюнджич, В. И. Коптев и др.; Под ред. А. И. Савича, Б. Д.Куюнджича. — М.: Недра, 1990.

41. Методы геофизики в гидрогеологии и инженерной геологии / B.C. Матвеев, В.Н. Чубаров, Г.Я. Черняк и др. — М.: Недра, 1985.

42. Hamrol А., А Quantitative classification of the weathering and weatherability of rocks. Proc. of the 5th Internal. Conference on SoilMechanics and Found. Engineering, II. 7/3, -Paris, 1961.

43. Шкуратник В.Л. Горная геофизика. Ультразвуковые методы. М.: МГИ, 1990.

44. Ямщиков B.C. Волновые процессы в массиве горных пород.. — М.: Недра, 1984.

45. Ржевский В.В., Якобашвили О.П., Цикин А.И., Сафронова И.Б. Методические указания по оценке механического состояния горныхмассивов с помощью упругих волн. М.: Ротапринт СФ1Г11ИФЗ АНСССР. 1976.

46. Никитин В.Н. Основы инженерной сейсмики. - М.: изд. МГУ, 1981.

47. Ратинов В.Б., Дзенис В.В., Новике Ю.А., Грабис Я.Р. Ультразвуко- вой способ оценки влияния внешней среды на состояние поверхно-сти строительных материалов. // Строительные материалы, 1971,№2, с. 13-19.154

48. Вепринцев В.И. Акустическая диагностика свойств и трещиновато- сти массива с помощью шумовых сигналов от рабочих органов ма-шин на карьерах природного камня. Диссертация на соискание уч.степени к.т.н. М.: МГИ, 1975.

49. Шкуратник В.Л., Ямщиков B.C. Идентификация массива горных пород по результатам измерения спектральных характеристикакустического сигнала. // В сб. «Доклады IX Всесоюзнойакустической конференции. М.: Изд. ВРШИТИ, 1978, с. 29-34. 50. Азиев Д. А. Разработка ультразвукового метода контроля структурной поврежденности облицовочного мрамора под влияниемэкстремальных воздействий. Дис. на соискание уч. степени к.т.н. М.:МГТУ, 1998.

52. Crampin S. Evaluation of anisotropy by shear- wave splitting.- Geophysics, 1985,50, N1, p. 142-152.

53. Горбацевич Ф.Ф. Акустополярископия горных пород.- Апатиты: Изд-воКНЦ РАН, 1995.

54. Якобашвили О.П. Сейсмические методы оценки состояния массивов горных пород на карьерах. - М.: ИПКОН РАН, 1992.

55. Ермолов И.Н. Теория и практика ультразвукового контроля. - М.: Машиностроение, 1981.

56. Шкуратник В.Л., Лавров А.В. Эффекты памяти в горных породах. Физические закономерности, теоретические модели - М.:Издательство АГН, 1997.

57. Shkuratnik V.L., Lavrov A.V., Kolodina I.V. Kaiser-Effekt in Gesteinen und Gebirgsspannungsme verfahren auf dessen Grundlage//Proc.EUROCK'2000. -Essen: Gluckauf, 2000, pp.543-548.

58. Данилов B.H. К расчету коэффициента затухания упругих волн при рассеянии в поликристаллических средах.//Дефектоскопия,1551989, №8, с. 18-23.

60. Данилов В.Н., Басацкая Л.В. Расчет коэффициентов отражения нро- дольных упругих волн от сферического дефекта. // Дефектоскопия,1986,^0 9, с. 88-90.

61. Данилов В.Н., Щербаков А.А. К определению разрешающей способности ультразвуковых дефектоскопов по дальности.//Дефектоскопия, 1998, №3, с. 54-60.

62. Данилов В.Н., Воронков В.А., Изофатова Н.Ю. Исследование ам- плитудно-частотной характеристики акустического тракта прямогопреобразователя в режиме излучения. // Дефектоскопия, 1996, №3, с.37-45.

63. Шкуратник В.Л., Бочкарева Т.Н. Теория электроакустического трак- та при межскважинном прозвучивании горных пород околовырабо-точного пространства. -//Физико-технические проблемы разработкиполезных ископаемых, 1996, JV» 6, с. 44-52.

64. Бреховских Л.М., Годин О.А. Акустика слоистых сред. - М.: Наука, 1989,412с.

65. Ямщиков B.C., Данилов В.Н., Шкуратник В.Л. Особенности возбуждения и приема упругих волн в твердом слоепреобразователем поршневого типа, // Дефектоскопия, 1988, Я» 3, с.16-23.

66. Королев М.В., Карпельсон А.Е. Широкополосные ультразвуковые преобразователи. -М.: Машиностроения, 1982,158 с.

67. Воронков В.А., Данилов В.Н. К вопросу о выборе модели расчета электроакустического тракта ультразвуковогопреобразователя. Дефектоскопия, 1996, JVb 1, с. 27-32.

68. Методы акустического контроля металлов/ Н.П. Алешин, В.Е. Бе- лый, А.Х. Вопилкин и др.: Под.ред. Алешина - М.: Машинострое-156ние, 1989.

69. Акустическая диагностика и контроль на предприятиях топливно- энергетического комплекса / В.М. Баранов, А.И. Гриценко, A.M.Карасевич и др. - М.: Наука, 1998.

70. Ермолин А.А., Колодина И.В. Ультразвуковой прибор для оценки степени выветривания облицовочных изделий из природного камня.//ГИАБ, 2001 ЯоЗ, с. 62-64.

71. Лавров А.В., Шкуратник В.Л., Филимонов Ю.Л. Акустоэмиссионный эффект памяти в горных породах. - М.:Издательство МГГУ, 2004.

72. Li С, Nordlund Е. Experimental verification of the Kaiser effect rocks// Rock Mehanics and Rock Enginering, 1993, v.26,№4, pp 333-351.

73. Лавров A.B., Филимонов Ю.Л., Шафаренко E.M., Шкуратник В.Л. Экспериментальное исследование эффектов памяти в каменной солипри различных режимах циклического нагружения // В сб.: Физика имеханика геоматериалов. - М.: Вузовская книга, 2001. - с.73-93

74. Dyskin A.V., Germanovich L.N., Ustinov К.В/ А 3-D model of wing crack growth and interaction // Engineering Fracture Mechanics/ -1999. -v.63.-^ol.-P. 81-110.

75. Kranz R.L. Crack - crack and crack - pore interaitions in stressed granite // Int. J. Rock Mechanics Min. Sci. -1979. - v. 16. - №1. - P.37-47.

76. Yoshikawa S. Modi K. Expepimental studies on the effect of stress history on aconstic emission activity a possibility for es timation of rockstress // Jonrtnal of Aconstic Emission. - 1989. v.8. - №4. - P.I 13-123.

77. Васильев B.C. Кибик-Кордонское месторождение мрамора // Раз- ведка и охрана недр. - 1971. - .№3. с. 18-24. М.: ИПКОН РАН, 2004.

78. Ямщиков B.C., Шкуратник В.Л. Акустическая спектроскопия мас- сива горных пород // ФТПРНИ. -1978, №2, с. 116-123.

79. Ямщиков B.C., Носов В.Н. Аппаратура для ультразвуковой стати- стической дефектоскопии крупноструктурных материалов // Дефек-тоскопия. - 1975, }^ 2l. с. 18-26.

80. Шкуратник В.Л. Аппаратурное обеснечение ультразвуковых мето- дов геоконтроля // Горный журнал. - 1999, №1. с. 27-30.

81. Шкуратник В.Л., Колодина И.В. Расчет электроакустического трак- та при оценке выветривания плит облицовочного камня ультразву-ковым эхо-методом. ГИАБ № 1,2001, с. 11-15.

82. Колодина И.В. Оценка степени выветривания горных пород на ос- нове акустополяризационных измерений на образцах. ГИАБ, № 3,2001, с. 39-42.158

83. Колодина И.В. Оптимизация параметров ультразвукового эхо- контроля степени выветривания плит облицовочного камня поуровню структурных шумов. ГИАБ, JSfo 4,2001, с.51-54.159

Информация о работе

Колодина, Ирина Викторовна
кандидата технических наук
Москва, 2006
ВАК 25.00.16

Диссертация

Обоснование и разработка ультразвуковых способов оценки нарушенности природного камня под влиянием факторов выветривания - тема диссертации по наукам о земле, скачайте бесплатно

Автореферат

Обоснование и разработка ультразвуковых способов оценки нарушенности природного камня под влиянием факторов выветривания - тема автореферата по наукам о земле, скачайте бесплатно автореферат диссертации

Похожие работы