Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Разработка лазерного ультразвукового метода оценки изменений структуры горных пород под влиянием выветривания

ВАК РФ 25.00.16, Горнопромышленная и нефтегазопромысловая геология, геофизика, маркшейдерское дело и геометрия недр

Автореферат диссертации по теме "Разработка лазерного ультразвукового метода оценки изменений структуры горных пород под влиянием выветривания"

004615891

ЗАКИРОВ АНСАР АНВАРОВИЧ

РАЗРАБОТКА ЛАЗЕРНОГО УЛЬТРАЗВУКОВОГО МЕТОДА ОЦЕНКИ ИЗМЕНЕНИЙ СТРУКТУРЫ ГОРНЫХ ПОРОД ПОД ВЛИЯНИЕМ ВЫВЕТРИВАНИЯ

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

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

- 3 ЛЕК 2

Москва 2010

004615891

Работа выполнена в ГОУ ВПО «Московский государственный горный университет» (М11 У) на кафедре «Физико-технический контроль процессов

горного производства»

Научный руководитель

доктор технических наук, профессор Черепецкая Елена Борисовна

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Мосейкин Владимир Васильевич кандидат технических наук Аверин Андрей Петрович

Ведущая организация:

Горный институт Кольского научного центра Российской академии наук (г. Апатиты)

Защита диссертации состоится « 23 » декабря 2010 г. в час. на

заседании диссертационного совета Д-212.128.04 при Московском государственном горном университете (МГГУ) по адресу: 119991, Москва, Ленинский проспект, д. 6.

С диссертационной работой можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного горного университета.

Автореферат разослан «

» ноября 2010 г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук, профессор

Бубис Ю.В.

Общая характеристика работы

Актуальность работы. Влияние выветривания приводит к разномасштабной поврежденности горных пород, проявляющейся в их разуплотнении и структурной дезинтеграции. Информация о степени и границах этой поврежденности должна учитываться при принятии технических и технологических решений, обеспечивающих эффективное и безопасное ведение горных работ. Одним из результатов воздействия факторов выветривания является уменьшение прочности горных пород в приповерхностных слоях массива, что приводит к потере их устойчивости. В то же время существующие методики расчета устойчивости бортов карьеров не учитывают влияние выветривания, что связано прежде всего с отсутствием надежных методов оценки этого влияния.

Для изучения нарушенности горных пород в результате выветривания обычно применяются разнообразные геофизические методы, среди которых наиболее эффективны акустические, в частности ультразвуковые (УЗ). Их информативные параметры имеют устойчивые функциональные и корреляционные связи с плотностными, упругими, прочностными и другими свойствами горных пород. Однако потенциальные возможности этих методов реализуются не полностью. Это связано с тем, что традиционно оценка нарушенности базируется на измерении скорости распространения упругих волн, которая имеет чрезвычайно низкую информативность. Последнее обусловлено также использованием ограниченного диапазона частот зондирующих сигналов и существенным помеховым влиянием на результаты контроля контактных условий акустических преобразователей с геосредой. Получивший развитие в последние годы лазерный УЗ метод позволяет осуществить структурную диагностику горных пород в широком частотном диапазоне, реализовать бесконтактное возбуждение зондирующих сигналов со значительными и регулируемыми амплитудами давления (вплоть до 10 МПа) и использовать практически весь спектр возможных информативных параметров контроля. Однако попыток использования этого метода для оценки влияния выветривания на структурные изменения горных пород до настоящего времени не предпринималось.

Учитывая вышеизложенное, представляется актуальным решение задач теоретического, экспериментального и методического характера, связанных с использованием лазерной УЗ спектроскопии для оценки выветривания горных

О

пород. Исследования, результаты которых представлены в настоящей работе, проводились при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (грант № 08-05-00281-а).

Цель работы заключается в обосновании и разработке метода оценки изменений структуры горных пород под влиянием выветривания на основе лазерной УЗ спектроскопии и визуализации ее результатов.

Идея работы заключается в использовании закономерностей и особенностей распространения высокочастотных оптико-акустических сигналов в горных породах в зависимости от степени их структурной нарушенности для объективной оценки последней.

Основные научные положения, выносимые на защиту:

1. Степень нарушенности горных пород, обусловленной выветриванием, может быть оценена по относительной мощности структурных акустических шумов, возникающих в результате рассеяния УЗ импульсов на дефектах структуры исследуемых образцов.

2. Визуализация внутренней структуры образцов горных пород может быть обеспечена на основе возбуждения мощных широкополосных оптико-акустических импульсов в узлах двумерной сетки, нанесенной на поверхность образца, приема отраженных от структурных неоднородностей сигналов, измерения их амплитуды и последующего сопоставления амплитудам отраженного сигнала определенных оттенков черно-белой шкалы..

3. В качестве информативного параметра при оценке степени выветривания образцов горных пород может быть использован коэффициент сохранности, равный отношению коэффициентов затухания УЗ волн в эталонном образце и в образце, поврежденном выветриванием. При этом измерения проводятся на максимальной частоте, на которой возможно устойчивое прозвучивание при данной чувствительности электроакустического тракта и отношении сигнал/шум не менее 3.

4. Коэффициент сохранности, определяемый по коэффициенту затухания УЗ сигнала в горных породах, является эффективным инструментом оценки степени их защиты от выветривания с использованием полимерных покрытий. Применительно к пироксенам Ковдорского ГОКа такие покрытия обеспечивают увеличение коэффициента сохранности не менее чем в 1,4 раза по результатам их испытаний на солестойкость, водостойкость, атмосферостойкость,

кислотостойкость и морозостойкость и не менее чем в 1,2 раза по результатам комплексного воздействия соответствующих факторов выветривания. Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются:

- представительным объемом экспериментальных исследований, проведенных на образцах мрамора и пироксена;

- использованием в экспериментальных исследованиях аппаратурного обеспечения с высокими метрологическими характеристиками и апробированного программного обеспечения;

- удовлетворительной сходимостью рассчитанных теоретически и измеренных экспериментально характеристик и параметров элементов оптико-акустического тракта УЗ спектроскопии нарушенных выветриванием образцов;

- хорошей воспроизводимостью установленных экспериментально взаимосвязей информативных параметров УЗ контроля со степенью нарушенности структуры горных пород.

Научная новизна исследований заключается:

- в разработке теоретической модели оценки нарушенности горных пород под влиянием выветривания по относительной мощности структурного шума, возникающего при проведении лазерной УЗ спектроскопии исследуемых образцов;

- в разработке теоретической модели оптико-акустического тракта лазерной УЗ эхоскопии для исследования нарушенности образцов геоматериалов и в обосновании возможности использования этой модели для визуализации структурных нарушений горных пород под влиянием выветривания;

- в проведении сравнительного анализа информативности нелинейных эффектов, возникающих при взаимодействии мощного УЗ импульса с дефектами геосреды;

- в обосновании алгоритмов и режимов оценки степени выветривания горных пород, в том числе при применении специальных защитных покрытий, по изменению коэффициента затухания ультразвука в качестве информативного параметра контроля.

Научное значение работы заключается в разработке теоретической модели оценки изменений структуры горных пород под влиянием факторов выветривания по относительной мощности акустического структурного шума, а также теоретической модели оптико-акустического тракта лазерной ультразвуковой

эхоскопии образцов горных пород и в обосновании возможности ее использования для визуализации структурных нарушений образцов под влиянием выветривания.

Практическое значение работы заключается в разработке «Методики оценки степени нарушенное™ горных пород под влиянием выветривания методом лазерной ультразвуковой спектроскопии», утвержденной в Московском государственном горном университете. Внедрение данной методики позволит оценивать поврежденность горных пород, в том числе в бортах карьеров, для обеспечения эффективности и безопасности горных работ, а также изменения структуры облицовочных изделий из природного камня, применяемых в строительстве.

Реализация результатов работы. Выводы и рекомендации, сформулированные в диссертации, включены в «Методику оценки степени нарушенное™ горных пород под влиянием выветривания методом лазерной ультразвуковой спектроскопии», переданную в ОАО «Ковдорский ГОК», где планируется для практического использования при лабораторных исследованиях образцов, извлеченных из бортов карьера рудника «Железный», для обеспечения их устойчивости.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались на XX сессии Российского акустического общества (Москва, 2008г.), II Международной научно-практической конференции «Горная геология, геомеханика и маркшейдерия» (Донецк, 2009г.), X Всероссийском симпозиуме по прикладной и промышленной математике (Дагомыс, 2009г.), Научных симпозиумах «Неделя горняка» (Москва, МГГУ, 2009-2010гг.), научных семинарах кафедры ФТКП МГГУ (2009-2010гг.)

Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 работ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и приложения, содержит 80 рисунков, 9 таблиц, список литературы из 89 источников.

Автор выражает благодарность своему научному руководителю д.т.н., проф. Черепецкой Е.Б. за помощь в постановке задачи и проведении исследований, д.т.н., проф. Шкуратнику В.Л. за высказанные предложения и замечения, к.т.н., доц. Инькову В.Н. за практическую помощь в проведении экспериментов и обработке полученных результатов, к.х.н. Месяц С.П. за предоставленные для

исследований образцы и данные испытаний, в ходе которых изучалось воздействие на образцы геоматериалов искусственных факторов выветривания.

Основное содержание работы

В первой главе диссертации приведен анализ современного состояния проблемы изучения влияния выветривания на структуру горных пород. Подробно рассмотрены основные факторы выветривания и их роль в изменении исходных свойств и состояния геосреды. Проанализированы различные геофизические методы изучения выветривания с точки зрения их достоинств и недостатков. Особое внимание уделено акустическим методам геоконтроля, в том числе методу лазерной УЗ спектроскопии, основанному на термооптическом возбуждении упругих волн в геоматериалах. Отмечено, что данный метод уже нашел применение для дефектоскопии металлов и исследования свойств горных пород на образцах малых размеров. В то же время попыток его использования для оценки структурных изменений горных пород под влиянием выветривания до настоящего времени не предпринималось.

На основе материалов первой главы сделаны выводы о перспективности использования для оценки влияния выветривания на структурную поврежденность горных пород лазерной УЗ спектроскопии, также сформулирована приведенная выше цель диссертационной работы и определены основные задачи, решение которых необходимо для достижения этой цели. Такими задачами являются:

- разработка теоретической модели для оценки степени нарушенности образцов горных пород в процессе выветривания на основе расчета мощности акустического структурного шума, возникающего при проведении лазерной УЗ эхоскопии, и проведение на основе разработанной модели численного моделирования изменения данного информативного параметра в зависимости от степени нарушенности образца;

- расчет оптико-акустического тракта лазерной УЗ спектроскопии в режиме «проходящих» волн и оценка информативных параметров контроля выветривания геоматериалов с использованием измерения основных характеристик прошедших через них УЗ импульсов;

- теоретическое обоснование и экспериментальная проверка способа визуализации внутренней структуры образцов горных пород и ее изменений под влиянием выветривания на основе лазерной УЗ эхоскопии;

- обоснование и экспериментальное подтверждение возможности использования метода лазерной УЗ спектроскопии для оценки степени защиты горных пород от влияния выветривания с помощью покрытия на основе полимерной пленки.

Решение указанных задач осуществлялось на базе результатов теоретических и экспериментальных исследований в области геоакустики УЗ диапазона частот, полученных такими учеными, как Ватолин Е.С., Горбацевич Ф.Ф., Ермолов И.Н., Карабутов A.A., Козырев А.А, Кузнецов O.JL, Макаров В.А., Меркулова В.М., Носов В.Н., Рубан А.Д., Черепецкая Е.Б., Шкуратник В.Л., Якобашвили О.П., Ямщиков B.C. и др.

Во второй главе обоснованы алгоритмы и режимы реализации метода лазерной УЗ спектроскопии для изучения нарушенное™ горных пород под влиянием выветривания. Разработана теоретическая модель оценки степени нарушенное™ горных пород по относительной мощности акустического структурного шума, а также модель визуализации внутренней структуры и ее изменений под влиянием факторов выветривания на основе оптико-акустических измерений.

Рассмотрен вопрос выбора параметров лазерного излучения для эффективной генерации продольных и поперечных волн в исследуемых типах горных пород. Амплитуда УЗ импульсов определяется в основном теплофизическими параметрами геоматериала. Эффективность преобразования свет-ультразвук для продольной волны определяется параметром А = /¿с(г0, где ц - коэффициент поглощения лазерного излучения горной породой, сскорость распространения продольных волн, т0- длительность лазерного импульса. Для поперечных волн важно учитывать также параметр r = /ib, в котором Ъ- характерный радиус лазерного пучка. Оптимальный режим генерации обеспечивается при А ~ 1 и r~ 1. Для используемой длины волны лазерного излучения А -1,06 мкм были проведены предварительные измерения для расчета значений коэффициента поглощения ц в мраморах и пироксенах, на базе которых были получены оценки параметров эффективности преобразования свет-ультразвук для указанных типов горных пород (табл.1).

Таблица 1

-.Параметр Порода {/лс,)~\ МКС с,, м/с А г (Ь = 100 мкм)

Мрамор 0,029+0,005 5000 + 300 0,35 + 0,12 0,7+0,2

Пироксен 0,025 ±0,005 5000 + 300 0,40 ±0,15 0,8 ±0,2

При использовании Ы(1:УАС-лазера на алюмоиттриевом гранате с энергией в импульсе £~300 мДж и длительностью г0~Ю не были получены оценки значений давления р0 упругих импульсов, их длительности ти, пространственной протяженности 1и и спектральный диапазон Д/, представленные в табл. 2.

Таблица 2

Параметр Порода /?0,хЮ6Па г„,нс /„, мм Д /, МГц

Мрамор 0,5 + 0,1 150 ±40 0,5 ±0,2 10±1

Пироксен 0,9 ±0,1 120±30 0,4 + 0,2 11 + 1

Таким образом, лазер данного типа обеспечивает в исследуемых породах режим преобразования свет-ультразвук, близкий к оптимальному, при этом амплитуды давления достигают 1 МПа.

Для разработки первой модели рассмотрен процесс термооптического возбуждения ультразвука в приповерхностном слое образцов горных пород. В этом случае возбуждаются два импульса. Один из них, называемый опорным, распространяется обратно от образца в оптически прозрачную среду (призма из плексигласа), другой - в глубь образца. Форма этих импульсов описывается соответственно выражениями:

Ро

{ \ 1

г = / + —

С,

Р\

0

\

1

г,=*--

= кЛа)ф{со) Ч*»'* ехр(г'й)г)^й),

1 + Дг с ^ ц + со I с, ;

ч

ц1 + со1 !с] 2 А>УI2 1 ^ (г,\ ^/с.

(1)

17 г , 2 ехр(/й)Г1)</й), (2)

« 114- / ^

\ + Ы с 4 ' и + со / с.

/7 —СС " 1

где г - текущая координата, <о - циклическая частота, с0 - скорость распространения продольной волны в плексигласе, Д, - коэффициент объемного расширения, /0 -пиковое значение интенсивности оптического пучка, Ф(й>) - Фурье-образ временного распределения интенсивности лазерного излучения, ср - удельная

теплоемкость при постоянном давлении, Кв{а>) = {\ +Игс0 /(шй2))

дифракционный множитель, с,- скорость распространения продольной волны в образце. Амплитуды каждого из этих импульсов определяются также соотношением N = р,с, / р0с0 акустических импедансов р,с, исследуемой среды и

р0с0 плексигласа. Импульс, распространяющийся в образце и описываемый выражением (2), рассеивается на неоднородностях структуры. В рамках рассматриваемой модели степень нарушенное™ горных пород оценивается по относительной мощноста структурного акустического шума:

Кш -

2 А»

(3)

где ^(ш) = [ф(®)///й)/с0]/[^2+ <у2/с^] - спектр опорного сигнала, 51(ю) = 5(со)-50(ю) - спектр осциллирующей составляющей, связанной с рассеянием на дефектах образца и несущей информацию о его структуре, ¿'(<у) -спектр принятого сигнала. Для приведенной выше длительности лазерного импульса можно считать, что Ф(&>) = 1 в интервале частот [&»т!„;&>тах] и

1

МС0

агс1% - аг

М2С20+О)2т;,

/'со МСо

с точностью до 1%. Таким образом, значение параметра Кш характеризует степень нарушеноста образцов горных пород.

Предложена теоретическая модель оптико-акустического тракта лазерной УЗ эхоскопии образцов геоматериалов и обоснована возможность использования этой модели для визуализации структурных нарушений под влиянием выветривания. В рамках разработки этой модели рассмотрен процесс распространения термооптически возбужденного УЗ импульса в слоистой среде, каждый последующий слой которой отличается от предыдущего значением акустического импеданса. Предполагалось, что импульс, поступивший в исследуемый образец, после многократных переотражений рассеивается назад, принимается пьезодатчиком, неся при этом информацию о пространственном расположении неоднородностей внутри геосреды. Для определения параметров исследуемой среды рассчитан коэффициент отражения, характеризующий только ее строение и не зависящий от формы опорного сигнала.

Для п слоев получена рекуррентная формула для вычисления коэффициента отражения каждой гармоники со:

где д] =

1 + 2> .ехр(2{сой, /с,.)

1-

для у = — 1,

l + í^—lL.eкp(2iй)dJ/cJ)

1 —

— •ехр(2г'й)^. / с^.)

для у = п,

= р£1 - акустический импеданс, ¿1 - толщина ] -го слоя, - скорость распространения ультразвука в ] -м слое.

Временной профиль оптико-акустического импульса, отраженного от внешней границы слоистой среды, задается выражением:

Рк

"О у

§м

с

2 -ь» О

| Л (<у) Ка (¿у) Б0 (<г>) ехр(шт0) с1а. (5)

Для подтверждения корректности предложенной модели проведено численное моделирование для п = 5 слоев при различных комбинациях акустических импедансов. Толщина слоев варьировалась от 0,5 до 2,5 мм. Временной профиль и амплитудный спектр отраженного от слоистой среды сигнала для одной из комбинаций импедансов приведены на рис.1.

отн. ед.

0,8 0,6

0,2 0.0 -0,2

2,0 4,0 6.0 8,0 10,0 12,0 14,0 16,0

/, МГц

а б

Рис.1. Временной профиль (а) и амплитудный спектр (б) отраженного от слоистой среды сигнала

В разработанной модели верхняя граница частотного диапазона составляла 30 МГц. Поскольку горные породы поглощают высокочастотную часть спектра, то при обработке отраженного сигнала необходимо отфильтровать высокие частоты, для амплитуд которых соотношение сигнал/шум близко к единице.

Рассмотрены три типа фильтров: прямоугольный, гауссовский и «супер-гауссовский» (Г(/) = ехр(-(/ //„)')-ехр(-(/ / /А)8), /0 = 1кГц, /4=10МГц).

Наименьшее искажение отраженного сигнала позволяет получить «супер-гауссовский» фильтр. Временной профиль отраженного сигнала после его фильтрации приведен на рис.2б. Изменение полярности импульса имело место при его отражении от слоя с меньшим акустическим импедансом. Далее, путем сопоставления амплитудам отраженного сигнала различных оттенков черно-белой шкалы строилось изображение слоистой среды (рис.2а). При этом белый цвет соответствовал максимальной положительной амплитуде отраженного сигнала, черный цвет - максимальной отрицательной амплитуде.

рл , ОТН.СД. -0,02 0,00 0,02 0,04

1, МКС

а б

Рис. 2. Изображение модели слоистой среды (а) и временной профиль отраженного сигнала (б)

В третьей главе описаны используемые в диссертационном исследовании аппаратурные средства, освещен вопрос предварительной отбраковки образцов с трещинами и приведены результаты экспериментальных исследований нарушенное™ образцов мрамора под влиянием выветривания по относительной мощности акустического структурного шума.

Показано, что для надежной диагностики вызванных выветриванием структурных неоднородностей в образцах геоматериалов необходимо предварительно отбраковать образцы, содержащие трещины. Отражение большей части зондирующего сигнала от трещин приводит к значительному уменьшению

отношения сигнал/шум и, следовательно, снижает надежность УЗ диагностики. Для отбраковки образцов применен УЗ метод, основанный на анализе нелинейных эффектов, возникающих при распространении мощных оптико-акустических сигналов в трещиноватых средах. К таким эффектам относятся генерация высших гармоник, возникновение комбинационных частот, нелинейное затухание ультразвука, сдвиг резонансных частот и т.д. Для выявления указанных эффектов в сигнале, прошедшем через образцы, содержащие трещины, использовалась установка «Геоскан-02М». Использование стандартных оптико-акустических генераторов позволяло возбуждать в иммерсионной жидкости однополярные УЗ импульсы с амплитудой давления до 10 МПа и длительностью -100 не. При прохождении таких импульсов через образцы без трещин за счет дифракции и рассеяния на неоднородностях происходила трансформация однополярных импульсов в биполярные (соотношение фаз сжатия и разрежения составляло 2,5:1), наблюдалось увеличение длительности импульсов в результате рассеяния высокочастотной части спектра (кривая 1 на рис.3). Наличие трещин в образцах приводило к уменьшению амплитуды фазы разрежения не менее чем в

2 раза и увеличению ее длительности (кривая 2 на рис.3). Амплитуда фазы сжатия практически не изменялась. Более того, наблюдалось разделение фаз биполярного импульса (горизонтальный участок кривой 2 на рис.3), что свидетельствовало о различных скоростях их распространения. Таким образом, наиболее информативным нелинейным эффектом является искажение временного профиля зондирующего сигнала, проявляющееся в поглощении фазы разрежения

трещиной. В качестве показателя, несущего информацию о наличии трещин в образцах, можно рассматривать параметр % = ргл, где р^ - амплитуда фазы разрежения, ргл - амплитуда фазы сжатия. Значения 7 <0,3 свидетельствуют о наличии трещины в образце.

Рис.3. Временные профили зондирующего сигнала (кривая 1) и сигнала, отраженного от трещины (кривая 2) в образце пироксена

В рамках диссертационного исследования был проведен эксперимент на образцах мрамора Кибик-Кордонского месторождения по оценке нарушенности их структуры по относительной мощности структурного акустического шума. Исследование проводилось с использованием дефектоскопа УДЛ-2М при непосредственном поглощении образцами лазерного излучения с энергией в импульсе £-260 мкДж и длительностью импульса г0~Ю не. После предварительного вычисления коэффициента поглощения света образцами проводились их испытания на морозостойкость, солестойкость, кислотостойкость, атмосферостойкость и водостойкость. Далее осуществлялась обработка измеренных акустических треков, в которых выделялась часть сигнала, рассеянного на неоднородностях и несущего информацию о структурных особенностях образца (участок II на рис.4). Вычисление мощности структурного

Рис.4. Временные профили сигнала, пришедшего из образца мрамора до (а) и после (б) воздействия факторов выветривания: I- опорный сигнал, II- область сигнала, несущая информацию о структуре образца, III - донный сигнал

шума ||5,(й>)| (1со сводилось к вычислению интеграла |р2{г) <Л (его значение

г.')п1п Г,

пропорционально площади, показанной штриховкой на рис.4). Полученные для одного из образцов до и после проведения испытаний значения относительной мощности структурного шума составили соответственно Кш = 0,15 ±0,02 и Кш =1,3 ±0,2. Таким образом, относительная мощность структурного шума для образцов, прошедших полный цикл испытаний, возрастала примерно на порядок, что свидетельствовало об увеличении степени нарушенности данных образцов.

Метод визуализации структурных изменений горных пород под влиянием выветривания был экспериментально опробован на образцах мрамора. В частности, исследовались образцы, подвергнутые многолетнему механическому истиранию в совокупности с воздействием солей, воды, агрессивных веществ. Эксперимент проводился на пластинах толщиной 5мм, полученных из исходных плит облицовочного мрамора. Для глубинного, промежуточного и поверхностного слоев были получены частотные зависимости коэффициента затухания (рис.5а) и скорости распространения (рис.56) продольных волн.

и см 3,0

2.5 2,0 1.5 1.0 0.5

г, м 6000

1,4 1.6

1.8 2.0

/, М1"Ц

1.0

1,2 1,4

1,8 2,0

/, МГц

Рис.5. Частотные зависимости коэффициента затухания (а) и скорости распространения продольных волн (б) в образцах мрамора, полученные в глубинном (1), промежуточном (2), поверхностном (3) слоях

Частотный диапазон для регистрируемых УЗ сигналов составил 1-^3МГц. Наблюдение более низких частот было бы некорректным для имеющейся толщины образцов. Более высокие частоты сильно затухали. В качестве информативных параметров структурной нарушенное™ предложено использовать показатель Qc, равный величине относительного уменьшения скорости распространения ультразвука в данном слое по сравнению с глубинным слоем, и показатель Qa, равный отношению значений коэффициента затухания в глубинном и рассматриваемом слоях. Значение параметра Qc для поверхностного и глубинного слоев оказалось равным 14%, а для промежуточного и глубинного -6%. Значение параметра (¿а для поверхностного и глубинного слоев оказалось равным 0,56, для промежуточного и глубинного - 0,77. Таким образом, благодаря исключению влияния контактных условий, лазерный УЗ метод позволяет оценивать степень выветривания горных пород с помощью коэффициента затухания,

который существенно более информативен по сравнению со скоростью ультразвука. Относительная мощность акустического структурного шума для слоя, наиболее удаленного от поверхности мраморной плиты, оказалась на порядок меньше, нежели для поверхностного слоя, что подтверждает возможность использовать этот параметр для определения степени нарушенности образцов.

С целью проверки результатов, полученных с помощью лазерной УЗ спектроскопии, для каждого слоя были изготовлены микрошлифы, микроскопическое исследование которых подтвердило, что в результате длительного воздействия разрушающих факторов различной физической природы слой мраморной плитки глубиной до 3-4 мм оказался практически разрушенным. Изменения структуры этого слоя полностью согласуются с результатами измерений, полученными на основе оценки акустического структурного шума. Те же образцы исследовались в режиме эхоскопии, были построены изображения их структуры, которые качественно подтвердили результаты исследования другими методами. Это говорит о правильности предложенной выше модели, объясняющей алгоритм визуализации структурных нарушений.

Кроме того, образцы мрамора в виде прямоугольного параллелепипеда с характерными размерами сторон х = 40мм, у =35 мм, г = 5мм подвергались термическому воздействию. Исходная структура одного из образцов (рис. 6а) была достаточно однородной (акустическая жесткость во всех точках незначительно отклонялась от среднего значения). В некоторых плоскостях сканирования имелись области разуплотнения (более темная область на рис. 6а протяженностью порядка нескольких миллиметров).

1

■ 3 ; '<т ■ , ' 1ре|§ Г. *

Рис.6. Визуализация структуры образца мрамора, подвергнутого термическому воздействию: до нагревания (а); после нагревания до температуры 700° С (б)

Известно, что при нагревании до температуры ~530°С в результате фазового перехода структура мрамора становится мелкодисперсной и происходит существенное уменьшение его прочности. При малой нагрузке на образцы или при взаимодействии с водой наблюдалось их разрушение. На рис.66 приведено изображение структуры образца мрамора после нагревания до температуры 700° С. Частотная зависимость коэффициента затухания имеет вид « (/) = / + Ь2 /2. Первое слагаемое связано с диссипативными потерями, второе - с рассеянием. Мелкодисперсность структуры приводит к слабому рассеянию зондирующего сигнала и его интенсивному поглощению в образце, что обусловливает нелинейное возрастание коэффициента затухания с увеличением частоты (рис.7).

Таким образом, изменения структуры образцов мрамора, связанные с фазовым переходом при термическом воздействии, можно характеризовать величиной изменения показателя нелинейности частотной зависимости коэффициента затухания, в частности, величиной изменения коэффициента при квадрате частоты. Для случая, приведенного на рис.7, показатель нелинейности увеличился от 0,011 до 0,095, т.е. почти на порядок.

Четвертая глава посвящена применению описанных выше методов для экспериментальных исследований образцов пироксенов Ковдорского ГОКа, подвергнутых воздействию искусственных и природных факторов выветривания. Образцы диаметром 25,5 мм толщиной 5 мм были изготовлены из кернов, полученных в прибортовой части массива. В ходе испытаний определялись солестойкость, атмосферостойкость, водостойкость, кислотостойкость, морозостойкость образцов. Для оценки степени нарушенности горных пород предложено использовать коэффициент сохранности Кс, равный отношению

а, см'1

Рис. 7. Частотные зависимости коэффициента затухания в образце мрамора: 1 - исходное состояние, 2 - после нагревания до 700"С

коэффициентов затухания продольных волн в эталонном и исследуемом образцах. В качестве эталонного выбирается образец, добытый с глубины, не затронутой выветриванием. При этом измерения коэффициентов затухания проводятся на максимально возможной частоте, на которой обеспечивается устойчивое прозвучивание образцов. При отсутствии эталонного образца в проведенном эксперименте степень нарушенности структуры образцов оценивалась двумя информативными параметрами: отношением £,а коэффициентов затухания продольных волн в образце до и после воздействия факторов выветривания и величиной относительного уменьшения скорости продольных волн £ по результатам испытаний. Сравнительный анализ влияния отдельных факторов выветривания на нарушенность образцов позволил прийти к следующим выводам: наибольшее увеличение коэффициента затухания упругих волн в исследуемых образцах имело место при испытаниях на кислотостойкость и морозостойкость; при испытаниях на водостойкость и амосферостойкость параметры £,а и £ имели близкие значения; при воздействии солей изменения в структуре образцов пироксена незначительны; значения параметра для различных видов воздействий отличаются меньше, чем на порядок, в то время как изменения коэффициента затухания более значимы. В этой связи параметр £а является более информативным и может использоваться для характеристики степени нарушенности горных пород.

На основе полученных результатов предлагается использовать метод лазерной УЗ эхоскопии для оценки степени защиты бортов карьеров от влияния выветривания с помощью полимерного покрытия. Исследование проводилось на серии из более чем 100 образцов пироксена. Предварительно были измерены временные профили, а по ним рассчитаны амплитудные спектры прошедших через образцы УЗ сигналов, а также получены изображения их структуры. Затем часть образцов была покрыта защитной полимерной пленкой, а другие образцы составили контрольную группу. Все образцы прошли полный цикл испытаний, включая испытания на солестойкость, водостойкость, атмосферостойкость, кислотостойкость и морозостойкость, по стандартным методикам. Были получены следующие результаты. Значения коэффициента затухания ультразвука в образцах до проведения испытаний составили 0,9 см"1 и 1,0 см"1 на частоте 1,5 МГц и 1,4 см-1 и 1,5 см-1 на частоте 2,5 МГц. После проведения испытаний имело место уменьшение частотного диапазона сигналов, прошедших через

образцы. Значения коэффициента затухания увеличились для образцов из обеих групп. Значения параметра на частоте 2 МГц оказались равными 0,47 для образца с покрытием и 0,33 для образца без покрытия. Таким образом, параметр !;а, также характеризующий степень сохранности образцов, увеличился приблизительно в 1,4 раза. Наличие полимерного покрытия приводило к незначительному уменьшению скорости распространения ультразвука в образцах после испытаний. Значения параметра £на частоте 1,5 МГц оказались равными 4% для образцов с покрытием и 18% для образцов без покрытия, а на частоте 2МГц - 4% и 19% соответственно.

На основе полученных данных были построены акустические треки, а по ним - изображения внутренней структуры образцов. На рис.В приведено изображение структуры одного из образцов с покрытием и соответствующий ему акустический трек после проведения испытаний, на рис.9 - то же для контрольного образца.

рк, отн.ед.

-0.04 -0.02 0.00 0.02 0,04

■ - '_■ '

1ШМ1 И.............

^теч«- - ! ¡тш ж »

«а»

а б

Рис.8. Визуализация внутренней структуры (а) и один из акустических треков (б) для образца пироксена, покрытого полимерной пленкой, после полного цикла

испытаний

рк , отн.ед.

-0.04 -0.02 0.00 0.02 0.04

Рис.9. Визуализация внутренней структуры (а) и один из акустических треков (б) для образца без покрытия после полного цикла испытаний

Таким образом, наличие полимерного покрытия обеспечивает значимое уменьшение влияния факторов выветривания на структуру образца пироксена.

В приложении к диссертации приведена разработанная по результатам исследований «Методика оценки нарушенности горных пород под влиянием факторов выветривания методом лазерной ультразвуковой спектроскопии», которая регламентирует алгоритмы, режимы, аппаратурное обеспечение УЗ измерений, обработку и представление их результатов.

Заключение

Диссертация является научно-квалификационной работой, в которой на основе проведенных автором теоретических и экспериментальных исследований решена задача разработки метода оценки обусловленной выветриванием нарушенности горных пород на основе лазерной ультразвуковой спектроскопии, что имеет существенное значение для повышения уровня информационного обеспечения эффективного и безопасного ведения горных работ.

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

1. Разработана теоретическая модель лазерной ультразвуковой эхоскопии, на основе которой обоснована возможность оценки нарушенности геоматериалов, вызванной выветриванием, по относительной мощности шумовой составляющей акустических сигналов, отраженных от структурных неоднородностей.

2. Разработана теоретическая модель визуализации структурных нарушений горных пород под влиянием выветривания на основе анализа динамики амплитуд давления и фазовых характеристик отраженных от неоднородностей сигналов и сопоставления им различных цветовых оттенков.

3. Проведен сравнительный анализ различных нелинейных эффектов, возникающих при взаимодействии мощного ультразвукового импульса с геосредой, на основе которого предложено судить о наличии трещин в образцах горных пород по нелинейной трансформации прошедшего через них биполярного импульса.

4. Проведена экспериментальная оценка степени информативности измеряемых параметров лазерной ультразвуковой спектроскопии по отношению к структурной нарушенности горных пород. Показано, что благодаря возможности реализации бесконтактных оптико-акустических измерений наибольшей информативностью при оценке выветривания горных пород обладает коэффициент затухания продольных упругих волн, измеренный на максимальной частоте, на которой возможно реализовать устойчивое прозвучивание объектов контроля.

5. Установлена взаимосвязь между структурной нарушенностью образцов мрамора, подвергнутых термическому воздействию, и параметрами, характеризующими степень нелинейности частотной зависимости коэффициента затухания.

6. Показано, что оценку поврежденности образцов геоматериалов целесообразно определять на основе сочетания оптико-акустических измерений, реализуемых в режимах прозвучивания и эхолокации, первый из которых позволяет получить интегральную оценку нарушенности по измеренному коэффициенту затухания, а второй - дифференциальную оценку нарушенности с глубиной по данным визуализации внутренней структуры образца.

7. С использованием различных вариантов лазерной ультразвуковой спектроскопии экспериментально установлено, что среди различных факторов выветривания, воздействующих на образцы пироксенов, наибольшее влияние на изменение их структуры оказывают кислоты, а также попеременное замораживание и оттаивание.

8. Показано, что использование метода лазерной ультразвуковой спектроскопии позволяет экспериментально оценить защитные свойства специальных покрытий

горных пород по отношению к воздействию факторов выветривания. В частности, установлено, что покрытие бортов карьеров полимерной пленкой позволяет повысить кислотостойкость и морозостойкость горных пород. 9. Разработано методическое обеспечение использования лазерной ультразвуковой спектроскопии для оценки нарушенное™ горных пород под влиянием факторов выветривания.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Иньков В.Н., Закиров A.A., Черепецкая Е.Б.. Применение лазерной ультразвуковой спектроскопии для структурной диагностики геоматериалов. - XX сессия Российского акустического общества / Сборник трудов. - М.: Изд-во ГЕОС, 2008. - С. 271-273.

2. Закиров A.A.. Оценка нарушенное™ внутренней структуры облицовочных плит методом лазерно-ультразвуковой спектроскопии. - Десятый Всероссийский симпозиум по прикладной и промышленной математике. Тез. докл. - М.: ОПиПМ, 2009. - Том 16, вып.4. - С.654-655.

3. Корчак A.B., Закиров A.A., Иньков В.Н., Черепецкая Е.Б., Шкуратник B.JI. Исследование устойчивое™ горных пород к различным видам природных воздействий с использованием лазерно-ультразвуковой спектроскопии // Горная геология, геомеханика и маркшейдерия / Сб. науч. докл. - Донецк, 2009. - № 5 (часть 1)-С. 100-105.

4. Иньков В.Н., Закиров A.A., Черепецкая Е.Б. Исследование процессов выветривания методами лазерно-ультразвуковой спектроскопии // Горн, инф.-аналит. бюл. - 2009. - № 10. - С. 96-102.

5. Закиров A.A., Иньков В.Н., Черепецкая Е.Б. Использование нелинейных эффектов лазерной ультразвуковой спектроскопии при решении задачи оценки степени выветривания горных пород // Горн, инф.-аналит. бюл. -2009.-№ 12.-С. 7-11.

6. Закиров A.A., Иньков В.Н., Простяков Р.Г., Черепецкая Е.Б. Оценка степени выветривания горных пород по мощности структурных акустических шумов // Горн, инф.-аналит. бюл. - 2010. - № 10. - С. 47-52.

7. Закиров A.A., Иньков В.Н., Черепецкая Е.Б. Алгоритм визуализации структуры горных пород на основе оптико-акустических измерений // Горн, инф.-аналит. бюл. - 2010. - № 11. - С. 357-365.

Подписано в печать /<Р. /У. 2010. Формат 60x90/16

Объем 1 пл. Тираж 100 экз. Заказ

Отдел печати Московского государственного горного университета Москва, Ленинский проспект, д.6

Содержание диссертации, кандидата технических наук, Закиров, Ансар Анварович

Введение

Глава 1. Современное состояние проблемы изучения влияния выветривания на поврежденность горных пород

1.1. Факторы выветривания и их влияние на структуру, свойства и состояние горных пород

1.2. Общая характеристика методов изучения выветривания горных пород

1.3. Особенности и возможности применения геофизических методов для изучения выветривания горных пород

1.4. Метод лазерной ультразвуковой спектроскопии и его потенциальные возможности при решении задачи оценки 34 поврежденности горных пород под влиянием выветривания

1.5. Выводы и постановка задач исследования

Глава 2. Разработка и обоснование теоретических моделей оценки изменений структуры горных пород под влиянием выветривания с использованием метода лазерной ультразвуковой спектроскопии

2.1. Обоснование алгоритмов и режимов метода лазерной ультразвуковой спектроскопии для изучения нарушенности горных пород под влиянием выветривания.

2.2. Разработка теоретической модели оценки нарушенности горных пород под влиянием выветривания по относительной мощности структурного шума, возникающего при проведении лазерной ультразвуковой спектроскопии

2.3. Разработка теоретической модели оптико-акустического тракта лазерной ультразвуковой эхоскопии образцов геоматериалов и обоснование возможности использования этой модели для визуализации структурных нарушений под влиянием 54 выветривания

2.4. Выводы

Глава 3. Экспериментальные исследования выветривания образцов мрамора методом лазерной ультразвуковой спектроскопии

3.1. Методическое и аппаратное обеспечение проведения экспериментальных исследований по оценке влияния выветривания на структуру горных пород

3.2. Предварительная отбраковка образцов по фактору исходной дефектности с использованием акусто-нелинейных эффектов

3.3. Экспериментальные исследования степени нарушенности образцов на основе анализа относительной мощности

3.4. Визуализация структурных изменений горных пород под влиянием выветривания с использованием лазерной ультразвуковой спектроскопии структурного шума

3.4.1. Экспериментальные исследования образцов мрамора, подвергнутых механическим воздействиям

3.4.2. Экспериментальные исследования образцов мрамора, подвергнутых термическим воздействиям

3.4.3. Экспериментальные исследования образцов мрамора, подвергнутых воздействию выветривания

3.5. Выводы

Глава 4. Экспериментальные исследования выветривания образцов пироксенов из прибортовой части массива горных пород методом лазерной ультразвуковой спектроскопии 108 4.1. Экспериментальные исследования по оценке изменений структуры образцов пироксенов под влиянием искусственных факторов выветривания

4.1.1. Экспериментальные исследования образцов пироксена, подвергнутых испытаниям на солестойкость

4.1.2. Экспериментальные исследования образцов пироксена, подвергнутых испытаниям на водостойкость

4.1.3. Экспериментальные исследования образцов пироксена, подвергнутых испытаниям на атмосферостойкость

4.1.4. Экспериментальные исследования образцов пироксена, подвергнутых испытаниям на кислотостойкость

4.1.5. Экспериментальные исследования образцов пироксена, подвергнутых испытаниям на морозостойкость

4.1.6. Сравнительный анализ результатов воздействия отдельных факторов выветривания на образцы пироксенов

4.1.7. Экспериментальные исследования образцов пироксена, подвергнутых комплексному воздействию искусственных факторов выветривания

4.2. Экспериментальные исследования защитных свойств полимерного покрытия образцов пироксена при воздействии искусственных факторов выветривания

4.3. Выводы 142 Заключение 143 Приложение. Методика оценки степени нарушенности горных пород под влиянием факторов выветривания методом лазерной ультразвуковой спектроскопии

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Разработка лазерного ультразвукового метода оценки изменений структуры горных пород под влиянием выветривания"

Влияние выветривания приводит к разномасштабной поврежденности горных пород, проявляющейся в их разуплотнении и структурной дезинтеграции. Информация о степени и границах этой поврежденности должна учитываться при принятии технических и технологических решений, обеспечивающих' эффективное и безопасное ведение горных работ. Одним из результатов воздействия факторов выветривания является уменьшение прочности горных пород в приповерхностных слоях массива, что приводит к потере их устойчивости. В то же время существующие методики расчета устойчивости бортов карьеров не учитывают влияние выветривания, что связано, прежде всего, с отсутствием надежных методов оценки этого влияния.

Для изучения нарушенности горных пород в результате выветривания обычно привлекаются разнообразные геофизические методы, среди которых наиболее эффективны акустические, в частности, ультразвуковые (УЗ). Их информативные параметры имеют устойчивые функциональные и корреляционные связи с плотностными, упругими, прочностными и другими свойствами горных пород. Однако потенциальные возможности этих методов реализуются не полностью. Это связано с тем, что традиционно оценка нарушенности базируется на измерении скорости распространения упругих волн, которая имеет чрезвычайно низкую информативность. Последнее обусловлено также использованием ограниченного диапазона частот зондирующих сигналов и существенным помеховым влиянием на результаты контроля контактных условий акустических преобразователей с геосредой. Получивший развитие в последние годы лазерный УЗ метод позволяет осуществить структурную диагностику горных пород в широком частотном диапазоне, реализовать бесконтактное возбуждение зондирующих сигналов со значительными и регулируемыми амплитудами давления (вплоть до ЮМПа) и использовать практически весь спектр возможных информативных параметров контроля. Однако попыток использования этого метода для оценки влияния выветривания на структурные изменения1 горных пород до настоящего времени не предпринималось.

В связи с изложенным представляется актуальным решение задач теоретического, экспериментального и методического характера, связанных с использованием лазерной УЗ спектроскопии, для оценки выветривания горных пород.

Исследования, результаты которых представлены в настоящей работе, проводились при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (грант № 08-05-00281-а).

Идея работы заключается в использовании закономерностей и особенностей распространения высокочастотных оптико-акустических сигналов в горных породах в зависимости от степени их структурной нарушенности для объективной оценки последней.

Цель работы заключается в обосновании и разработке метода оценки нарушенности горных пород под влиянием выветривания на основе лазерной УЗ спектроскопии и визуализации ее результатов.

Указанная цель предполагает решение следующих основных задач:

- разработка теоретической модели для оценки степени нарушенности образцов горных пород в процессе выветривания на основе расчета мощности акустического структурного шума, возникающего при проведении лазерной УЗ эхоскопии, и проведение на основе разработанной модели численного моделирования изменения данного информативного параметра в зависимости от степени нарушенности образца;

- расчет оптико-акустического тракта лазерной УЗ спектроскопии в режиме «проходящих» волн и оценка информативных параметров контроля выветривания геоматериалов с использованием измерения основных характеристик прошедших через них УЗ импульсов;

- теоретическое обоснование И'экспериментальная проверка способа визуализации внутренней структуры, образцов горных пород и ее изменений под влиянием выветривания на основе лазерной УЗ эхоскопии;

- обоснование и экспериментальное подтверждение возможности использования- метода лазерной УЗ спектроскопии для оценки степени защиты горных пород от влияния выветривания с помощью покрытия на основе полимерной пленки.

Основные научные положения, выносимые на защиту:

1. Степень нарушенности горных пород, обусловленной выветриванием, может быть оценена по относительной- мощности структурных акустических шумов, возникающих в результате рассеяния УЗ импульсов на дефектах структуры исследуемых образцов.

2. Визуализация внутренней структуры образцов горных пород может быть обеспечена на основе возбуждения мощных широкополосных оптико-акустических импульсов в узлах двумерной сетки, нанесенной на поверхность образца, приема отраженных от структурных неоднородностей сигналов, измерения их амплитуды и последующего сопоставления амплитудам отраженного сигнала определенных оттенков серого цвета.

3. В качестве информативного* параметра при- оценке степени выветривания образцов горных пород может быть использован коэффициент сохранности, определяемый как отношение коэффициентов затухания УЗ волн в эталонном образце и в образце, поврежденном выветриванием. При этом измерения проводятся на максимальной частоте, на которой возможно устойчивое прозвучивание при данной чувствительности электроакустического тракта и отношении сигнал/шум не менее 3.

4. Коэффициент сохранности, определяемый по коэффициенту затухания УЗ сигнала в горных породах, является эффективным инструментом оценки степени их защиты от выветривания с использованием полимерных покрытий. Применительно к пироксенам Ковдорского ГОКа такие покрытия обеспечивают увеличение коэффициента сохранности не менее чем в 1,4 раза по результатам испытаний на солестойкость, водостойкость, атмосферостойкость, кислотостойкости, морозостойкость и не менее чем в 1,2 раза при комплексном воздействии соответствующих факторов выветривания.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается:

- представительным объемом экспериментальных исследований, проведенных на образцах мрамора и пироксена;

- использованием в экспериментальных исследованиях аппаратурного обеспечения с высокими метрологическими характеристиками и апробированного программного обеспечения;

- удовлетворительной сходимостью рассчитанных теоретически и измеренных экспериментально характеристик и параметров элементов оптико-акустического тракта УЗ спектроскопии нарушенных выветриванием образцов;

- хорошей воспроизводимостью установленных взаимосвязей информативных параметров предложенных способов УЗ контроля горных пород со степенью нарушенности их структуры в проведенных экспериментах.

Научное значение работы заключается в разработке теоретической модели оценки изменений структуры горных пород под влиянием факторов выветривания по относительной мощности акустического структурного шума, а также теоретической модели оптико-акустического тракта лазерной ультразвуковой эхоскопии образцов горных пород и в обосновании возможности ее использования для визуализации структурных нарушений образцов под влиянием выветривания.

Практическое значение работы заключается в разработке «Методики оценки степени нарушенности горных пород под влиянием выветривания методом лазерной ультразвуковой спектроскопии», утвержденной в Московском государственном горном университете. Внедрение данной методики позволит оценивать поврежденность горных пород, в том числе в бортах карьеров, для обеспечения эффективности и безопасности горных работ, а также изменения структуры облицовочных изделий из природного камня, применяемых в строительстве.

Реализация результатов работы. Выводы и рекомендации, сформулированные в диссертации, включены в «Методику оценки степени нарушенности горных пород под влиянием выветривания методом лазерной ультразвуковой спектроскопии», переданную в ОАО «Ковдорский ГОК», где планируется для практического использования при лабораторных исследованиях образцов, извлеченных из бортов карьера рудника «Железный», для обеспечения их устойчивости.

Апробации работы. Основные положения диссертации докладывались на XX сессии Российского акустического общества (Москва, 2008г.), II Международной научно-практической конференции «Горная геология, геомеханика и маркшейдерия» (Донецк, 2009г.), X Всероссийском симпозиуме по прикладной и промышленной математике (Дагомыс, 2009г.), Научных симпозиумах «Неделя горняка» (Москва, МГГУ, 2009-2010гг.), научных семинарах кафедры ФТКП МГГУ (2009-2010гг.)

Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 работ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и приложения, содержит 80 рисунков, 9 таблиц, список литературы из 89 источников.

Заключение Диссертация по теме "Горнопромышленная и нефтегазопромысловая геология, геофизика, маркшейдерское дело и геометрия недр", Закиров, Ансар Анварович

4.3. Выводы.

Результаты экспериментальных исследований образцов пироксена Ковдорского ГОКа, представленные в настоящей главе, позволяют сделать следующие выводы:

1) Информативные параметры ¿;а и рассчитанные по значениям коэффициента затухания и скорости распространения продольных волн в образцах пироксенов, отражают изменения, происходящие в структуре образцов под влиянием факторов выветривания. При этом параметр ¿;а существенно более информативен.

2) Параметр са, рассчитанный по коэффициенту затухания, измеренному на максимальной частоте, на которой обеспечивается устойчивое прозвучивание геоматериала, можно рассматривать в качестве аналога коэффициента сохранности Кс в отсутствие эталонного образца.

3) Визуализация внутренней структуры образцов с использованием теоретической модели, разработанной во второй главе диссертации, полностью подтверждает выводы, сделанные относительно влияния факторов выветривания по значениям информативных параметров.

4) Сопоставление результатов исследования образцов пироксенов, полученных в п.п.4.1 и 4.2, позволяет утверждать, что полимерное покрытие образцов пироксенов действительно является средством защиты их от разрушающего воздействия факторов выветривания. При этом экспериментально установлено, что наличие такого покрытия увеличивает сохранность внутренней структуры, оцениваемую параметром ¿;а, не менее чем в 1,4 раза при испытаниях на солестойкость, водостойкость, атмосферостойкость, кислотостойкость и морозостойкость и не менее чем в 1,2 раза при комплексном воздействии соответствующих факторов выветривания.

Заключение.

Диссертация является научно-квалификационной работой, в которой на основе проведенных автором теоретических и экспериментальных исследований решена задача- разработки метода оценки обусловленной выветриванием нарушенности горных пород на основе лазерной ультразвуковой спектроскопии, что имеет существенное значение для повышения уровня информационного обеспечения эффективного и безопасного ведения горных работ.

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

1. Разработана теоретическая модель лазерной ультразвуковой эхоскопии, на основе которой обоснована возможность оценки нарушенности геоматериалов, вызванной выветриванием, по относительной мощности шумовой составляющей акустических сигналов, отраженных от структурных неоднородностей.

2. Разработана теоретическая модель визуализации структурных нарушений горных пород под влиянием выветривания на основе анализа динамики амплитуд давления и фазовых характеристик отраженных от неоднородностей сигналов и сопоставления им различных цветовых оттенков.

3. Проведен сравнительный анализ различных нелинейных эффектов, возникающих при взаимодействии мощного ультразвукового импульса с геосредой, на основе которого предложено судить о наличии трещин в образцах горных пород по нелинейной трансформации прошедшего через них биполярного импульса.

4. Проведена экспериментальная оценка степени информативности измеряемых параметров лазерной ультразвуковой спектроскопии по отношению к структурной нарушенности горных пород. Показано, что благодаря возможности реализации бесконтактных оптико-акустических измерений наибольшей информативностью при оценке выветривания горных пород обладает коэффициент затухания продольных упругих волн, измеренный на максимальной частоте, на которой возможно реализовать устойчивое прозвучивание объектов контроля.

5. Установлена взаимосвязь между структурной нарушенностью образцов мрамора, подвергнутых термическому воздействию, и параметрами, характеризующими степень нелинейности частотной зависимости коэффициента затухания.

6. Показано, что оценку поврежденности образцов геоматериалов целесообразно определять на основе сочетания оптико-акустических измерений, реализуемых в режимах прозвучивания и эхолокации, первый из которых позволяет получить интегральную оценку нарушенности по измеренному коэффициенту затухания, а второй - дифференциальную оценку нарушенности с глубиной по данным визуализации внутренней структуры образца.

7. С использованием различных вариантов лазерной ультразвуковой спектроскопии экспериментально установлено, что среди различных факторов выветривания, воздействующих на образцы пироксенов, наибольшее влияние на изменение их структуры оказывают кислоты, а также попеременное замораживание и оттаивание.

8. Показано, что использование метода лазерной ультразвуковой спектроскопии позволяет экспериментально оценить защитные свойства специальных покрытий горных пород по отношению к воздействию факторов выветривания. В частности, установлено, что покрытие бортов карьеров полимерной пленкой позволяет повысить кислотостойкость и морозостойкость горных пород.

9. Разработано методическое обеспечение использования лазерной ультразвуковой спектроскопии для оценки нарушенности горных пород под влиянием факторов выветривания.

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Закиров, Ансар Анварович, Москва

1. Карабутое A.A., Макаров В.А., Черепецкая Е.Б., Шкуратник В.Л. Лазерно-ультразвуковая спектроскопия горных пород. М.: Горная книга, 2008, 198 с.

2. Инъков В.Н., Корчак A.B., Черепецкая Е.Б., Шкуратник В.Л., Месяц С.П., Макаров В.А. Лазерный ультразвуковой метод исследования разрушения горных пород под влиянием выветривания. — Материалы XIX Международной научной школы им. Академика С.А.Христиановича

3. В.И. Инъков, Е.Б. Черепецкая, B.JI. Шкуратник, A.A. Карабутов, В.А. Макаров. Ультразвуковая эхоскопия геоматериалов с использованием термооптических источников продольных волн. // ФТПРПИ, № 3, 2004 г.

4. Закиров A.A., Инъков В.Н., Черепецкая Е.Б. Использование нелинейных эффектов лазерной ультразвуковой спектроскопии при решении задачи оценки степени выветривания горных пород // Горн, инф.-аналит. бюл. 2009. - № 12.-С. 7-11.

5. Черепецкая Е.Б., Белов М.А. Об особенностях измерений акустических характеристик горных пород на образцах малых размеров // Горн, инф.-аналит. бюл. 2004. - № 10. - С. 31-34.

6. A.A.Закиров. Оценка нарушенности внутренней структуры облицовочных плит методом лазерно-ультразвуковой спектроскопии. -Десятый Всероссийский симпозиум по прикладной и промышленной математике. Тезисы докладов. М.: ОПиПМ, 2009. - том 16, вып.4, с.654-655.

7. Инъков В.Н., Закиров A.A., Черепецкая Е.Б. Исследование процессов выветривания методами лазерно-ультразвуковой спектроскопии // Горн, инф.-аналит. бюл. 2009. - № 10. - С. 96-102.

8. В.Н. Инъков, A.A. Закиров, Е.Б. Черепецкая. Применение лазерной ультразвуковой спектроскопии для структурной диагностики геоматериалов. XX сессия Российского акустического общества. Сборник трудов. - М.: Изд-во ГЕОС, 2008. - с. 271-273.1. Литература.

9. 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.

10. Лапин В.В. О некоторых явлениях выветривания облицовочного камня в сооружениях. Труды института геологических наук АН СССР. Вып. 25, 1940.

11. Айрапетов Д.П. Архитектурное материаловедение. М.: Стройиздат, 1935.

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

13. Ярг Л.А. Изменение физико-механических свойств горных пород при выветривании. М.: «Недра», 1974.

14. Лащук В.В. Долговечность облицовочного камня Кольского полуострова. Апатиты: Издательство КНЦ РАН, 1996.

15. Заварзина М.В. Строительная климатология. Л.: Гидрометеоиздат, 1976.

16. Luckat S. Intersuchuhgen zum Schutz von Suchgatern aus Naturstein vor Luftverunreinigungen. Staub Reinhaltund der Luft. - 1972, N 5. - S.211-220.

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

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

19. Niesei K. Zur. Werwitterung von Baustoffen in Schwefeloxidnaltiger Atmosphäre. Literaturdiskussion. Fortchritte der Mineralogie. B. 57, H. I, 1979. - S.68-124.

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

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

22. Молоков Л.А. Инженерно-геологические процессы. -М.: «Недра», 1988.

23. Кузькин В.И., Кочетков М.В., Ярг JI.A. Техногенное выветривание на рудных месторождениях. -М.: «Геоинформмарк», 1993.

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

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

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

27. Грабко Ю.З. Рекомендации по облицовке фасадов зданий. М.: Стройиздат, 1966.

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

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

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

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

32. Ржевский В.В. Физико-технические параметры горных пород. М.: «Недра», 1975.

33. Ямщиков B.C., Нисневич M.J1. Контроль качества на предприятиях нерудных строительных материалов. М.: Стройиздат, 1981.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

44. Hamrol A. A quantitative classification of the weathering and weatherability of rocks. Proc. of the 5th Inernal. Conference on Soil Mechanics and Found. Engineering, II. 7/3, Paris, 1961.

45. 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. И.: Недра, 1990.

46. Сычев Ю.Н. Пособие по экспрессгоценке состояния каменной облицовки фасадов. М.: ВНИПИИстройсырье, 1999.

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

48. Неразрушающий контроль и диагностика. Справочник. / Под ред. В.В.Клюева. М., Машиностроение, 2003, 656 с.

49. Ямщиков B.C. Волновые процессы в массиве горных пород. М.: недра,1984.

50. Никитин В.Н. Основы инженерной сейсмики. — М.: изд. МГУ, 1981.

51. 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.

52. 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.: Из. ВИНИТИ, 1978, с. 29-34.

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

54. Методы акустического контроля металлов. / Под ред. Н.П. Алешина. М.: Машиностроение, 1989. — 456 с.

55. Кайно Г. Акустические волны: устройства, визуализация и аналоговая обработка сигналов. Пер. с англ. М.: Мир, 1990.

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

57. Горбацевич Ф.Ф. Акустополярископия горных пород. Апатиты: Из-о КНЦ РАН, 1995.

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

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

60. Колодина И.В. Обоснование и разработка ультразвуковых способов оценки нарушенности природного камня под влиянием факторов выветривания. Дисс. на соиск. уч. степ, к.т.н. М.: МГГУ, 2006. - 159с.

61. 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, 2000. - С.613-614.

62. Шкуратник В.Л., Лавров A.B. Эффекты памяти в горных породах. Физические закономерности, теоретические модели. М.: Издательство АГН, 1997.

63. White R.M. Generation of elastic waves by transient surface heating // J. Appl. Phys., 1963, V.34, No 12, P.3559-3567.

64. Аскарян Г.А., Прохоров A.M., Гантурия Г.Ф., Шипуло Г.П. Луч оптического квантового генератора в жидкости // ЖЭТФ, 1963, 44, 6, С. 21802182.

65. A.Aharoni, K.M.Jassby, M.Tur. The themioelastic surface strip source for laser-generated ultrasound.// JASA, 1992, v.92, p.3249-3258.

66. Карабутов A.A., Макаров B.A., Шкуратник В.Л., Черепецкая Е.Б. Теоретическая оценка параметров ультразвуковых импульсов, возбуждаемых в геоматериалах лазерным излучением // ФТПРПИ. 2003. - №4. - С.11 - 18.

67. Белов М.А., Черепецкая Е.Б. Алгоритм расчета коэффициента поглощения оптического излучения в геоматериалах по параметрам упругих волн при термооптическом возбуждении ультразвука // ОПиПМ. Т. 11. -2004. - №4. - С.756.

68. Иньков В.Н., Черепецкая Е.Б. Расчет параметров мощных широкополосных оптико-акустических генераторов для задач контроля геоматериалов // ОПиПМ. Т. 11. - 2004. - №1. - С. 117-118.

69. Черепецкая Е.Б. Способ лазерно-акустического контроля твердых материалов и устройство для его осуществления. // ГИАБ, № 12, 2004, с. 233235.

70. Черепецкая Е.Б. Разработка лазерного ультразвукового методадиагностики структуры и свойств горных пород на образцах: Дисс. на соиск.jучен. степ, д.т.н. -М.: МГГУ, 2005. 266с.

71. Карабутов A.A., Макаров В.А., Черепецкая Е.Б., Шкуратник B.J1. Лазерно-ультразвуковая спектроскопия горных пород. — М.: Издательство Московского государственного горного университета, издательство «Горная книга», 2008. 198 е.: ил.

72. Черепецкая Е.Б. Математическая модель лазерного возбуждения упругих импульсов при ультразвуковой структуроскопии неоднородных материалов // ОПиПМ. Т. 10. -2003. - №3. - С.774-775.

73. Белов М.А., Черепецкая Е.Б. Об особенностях измерений акустических характеристик горных пород на образцах малых размеров // Горный информационно-аналитический бюллетень. 2004, т.10, №4, С.31-34.

74. Белов М.А. Обоснование и разработка метода определения параметров зернистой структуры и пористости горных пород на основе принципов ультразвуковой спектроскопии: Дисс. на соиск. уч. степ, к.т.н. М.: МГГУ, 2005,- 134 с.

75. Белов М.А., Карабутов A.A., Пеливанов И.М., Подымова Н.Б. Диагностика пористости граффито-эпоксидных композитов лазерным ультразвуковым методом // Контроль. Диагностика. 2003, №2. - С.48-54.

76. Белов М.А., Пеливанов И.М., Черепецкая Е.Б. О возможности оценки пористости геоматериалов по измеренным значениям скоростей упругих волн. М.: ОПиПМ, 2004. - Том 11, вып.2. - С.297.

77. Ямщиков B.C., Шкуратник В.Л., Бобров A.B. О количественной оценке микротрещиноватости горных пород ультразвуковым велосиметрическим методом // ФТПРПИ. 1985. - №4. - С. 110-119.

78. Иньков В.H. Разработка метода оценки микротрещиноватости горных пород с использованием мощных лазерных ультразвуковых источников: Дисс. на соиск. уч. степ, к.т.н. М.: МГГУ, 2006. - 133с.

79. A A.Naugolnykh and'L.A.Ostrovsky. Nonlinear Wave Processes in Acoustics (Cambridge U.P., Cambridge, 1998).Б.Колпаков, В.Е.Назаров.

80. Зименков C.B., Назаров B.E. Нелинейные акустические эффекты в образцах горных пород.// Физика Земли, 1993, №1, С.13-18.

81. Л.К.Зарембо, В.А.Красильников. Введение в нелинейную акустику.М.: Наука, 1966.

82. К.A.Naugolnykh, S.V.Egerev, I.B. Esipov, K.A.Matveev. Nonlinear propagation of laser-generated sound pulses in a water and granular medium. // JASA, 1999, 106, №6, p.3135-3142.

83. Закиров A.A., Иньков B.H., Простяков Р.Г., Черепецкая Е.Б. Оценка степени выветривания горных пород по мощности структурных акустических шумов // Горн, инф.-аналит. бюл. 2010. - № 10. - С. 47-52.

84. Закиров A.A. Оценка нарушенности внутренней структуры облицовочных плит методом лазерно-ультразвуковой спектроскопии. — Десятый Всероссийский симпозиум по прикладной и промышленной математике. Тез. докл. М.: ОПиПМ, 2009. - Том 16, вып.4. - С.654-655.

85. Закиров A.A., Иньков В.Н., Черепецкая Е.Б. Алгоритм визуализации структуры горных пород на основе оптико-акустических измерений // Горн, инф.-аналит. бюл. 2010. - № 11. - С. 357-365.

86. Закиров A.A., Иньков В.Н., Черепецкая Е.Б. Использование нелинейных эффектов лазерной ультразвуковой спектроскопии при решении задачи оценки степени выветривания горных пород // Горн, инф.-аналит. бюл. -2009. -№ 12.-С. 7-11.

87. В.Е.Назаров, А.В.Радостин, Л.А.Островский, И.А.Соустова. Волновые процессы в средах с гистерезисной нелинейностью. Часть 1. // Акуст ж., 2003, 49, №3, с.405-415.

88. В.Ю.Зайцев, А.Б.Колпаков, В.Е.Назаров. Детектироваште^акустических импульсов в речном песке. Эксперимент.//Акуст.ж., 1999, 45, №2, с.235-241.

89. A.Granato, K.Lucke. Theory of mechanical damping due to dislocations. // J. Appl. Phys., 1956, 27, №5, p.583-593.

90. Ультразвуковые методы исследований дислокаций.// Сб. Статей под ред. Л.Г.Меркулова, М.:ИЛ, 1963.

91. ГОСТ 30629-99 «Материалы и изделия облицовочные из горных пород. Методы испытания»

92. Иньков В.Н., Закиров A.A., Черепецкая Е.Б. Исследование процессов выветривания методами лазерно-ультразвуковой спектроскопии // Горн, инф.-аналит. бюл. 2009. - № 10. - С. 96-102.

93. Азиев Д.А. разработка ультразвукового методаконтроля структурной поврежденности облицовочного мрамора под влиянием экстремальных воздействий: Дисс. на соиск. уч. степ, к.т.н. -М.: МГГУ, 1998. 138с.

94. Иньков В.Н., Закиров A.A., Черепецкая Е.Б. Применение лазерной ультразвуковой спектроскопии для структурной диагностики геоматериалов. XX сессия Российского акустического общества / Сборник трудов. - М.: Изд-во ГЕОС, 2008. - С. 271-273.

95. Шкуратник В.Л. Измерения в физическом эксперименте: Учебник для вузов. 2-у изд., доп. и испр. - М.: Издательство «Горная книга», 2006. -335с.: ил.