О влиянии размера образцов горных пород на характер их термоакустической эмиссии

© В.Л. Шкуратник, Е.А. Новиков, 2012

УДК 534.6:620.179.17

В.П. Шкуратник, Е.А. Новиков

О ВЛИЯНИИ РАЗМЕРА ОБРАЗЦОВ ГОРНЫХ ПОРОД НА ХАРАКТЕР ИХ ТЕРМОАКУСТИЧЕСКОЙ ЭМИССИИ*

Приведены результат экспериментальной проверки гипотезы об отсутствии влияния размеров образцов скальных горных пород на характер их термоакустической эмиссии (ТАЭ). Показано, что при общности характера ТАЭ в однотипных образцах горных пород различных размеров, конкретные количественные характеристики информативных параметров, связаны с объемом исследуемого образца однозначной зависимостью.

Ключевые слова: термоакустическая эмиссия, линейные размеры, образец, скальные горные породы, характер эмиссии.

В последние годы активно развивается направление исследований структуры, свойств или состояния горных пород на основе явления акустической эмиссии (АЭ) ультразвукового диапазона частот [1]. Это явление заключается в генерации волн напряжений при перестройке в структуре образцов геоматериала, вызываемой каким-либо внешним воздействием. Классическим источником АЭ является процесс деформирования, связанный с возникновением и ростом дефектов различного масштабного уровня. Метод АЭ отличает универсальность с точки зрения возможных решаемых задач и высокая чувствительность к динамике контролируемых параметров. Указанный метод позволяет выявлять растущие (т.е. наиболее опасные) дефекты, кроме этого он дает возможность исследовать кинетику процессов на самых ранних стадиях микродеформации, дислокационного зарождения и накопления микроне-сплошностей. Это позволяет диагно-

стировать и прогнозировать по АЭ сам момент зарождения трещины. Принимая с помощью особой высокочувствительной аппаратуры сигналы АЭ и измеряя в самом простейшем случае интенсивность (количество в единицу времени), а также общее количество событий АЭ, удается по этим данным экспериментально оценить скорость роста, длину трещины и прогнозировать близость разрушения. Методом АЭ возможна оценка крупности минеральных зерен в геоматериале, степени предварительного механического нагруже-ния этого геоматериала и т.д. [1]. Традиционные подходы к применению данного инструмента предполагают измерение параметров АЭ в процессе механического нагружения образцов, к размерам и форме которых предъявляются довольно жесткие требования, что обусловливает высокую трудоемкость и отрицательно влияет на надежность соответствующих испытаний. В связи с этим в последнее время значительный инте-

* Работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований, грант 10-05-00141.

рес проявляется к использованию для решения задач физики прочности и разрушения геологических объектов, а также идентификации их генотипов метода ТАЭ. Последняя представляет собой излучение упругих волн, возникающих в процессе нагрева твердых тел вследствие протекания в них необратимых или частично обратимых структурных изменений, вызванных различными факторами, такими как: термический градиент, обусловленный неравномерным нагревом образца; различие термоупругих свойств и коэффициентов теплового расширения слагающих породу минералов, а также фазовые переходы в них; испарение влаги и взрыв газово-жидких включений и др., приводящие к возникновению новых или росту и движению имеющихся дефектов [2, 3].

Одним из главных преимуществ термического способа возбуждения АЭ перед механическим заявляется отсутствие влияния размеров образцов на характер результатов ТАЭ исследований. Однако работы подтверждающие или опровергающие этот постулат отсутствуют. Таким образом остается открытым принципиальный вопрос о целесообразности применения метода ТАЭ вместо классического, основанного на механическом воздействии. С учетом изложенного, в настоящей работе приведены и обсуждены результаты экспериментальных исследований взаимосвязи между размерами образцов горных пород и характером их ТАЭ.

Методическое и аппаратурное обеспечение термоакустоэмиссион-ных измерений

Лабораторная установка, на которой проводились эксперименты, подробно описана в [4]. Она содержит нагревательную трубчатую печь типа НаЬейЬегш ИТ 50/250/ 11 с контроллером типа Р 320, которая

позволяет производить нагрев образцов до 1100 oC с заданной скоростью. В печи, ось которой ориентирована вертикально, между волноводами из кварцевого стекла помешается исследуемый образец горной породы, сигналы ТАЭ которого через один из волноводов передается на приемный акустический преобразователь акустоэмиссионной системы A-Line 32D. Эта система принимает, усиливает и оцифровывает сигналы АЭ в полосе 30-500 кГц, а также измеряет комплекс их информативных параметров. Кроме того на параметрический канал системы поступают сигналы с термопары, размешенной внутри образца и обеспечиваюшей измерение его температуры.

В качестве объектов исследований использовались образы белого мрамора Кибик-Кордонского и гранита Южно-Султаевского месторождений. Из каждого указанного геоматериала было изготовлено четыре единораз-мерные группы образцов по шесть штук в каждой: 10х10х10 мм, 20х20х20 мм, 20х20х40 мм и 35х35х35 мм. В ходе испытаний эти образцы подвергались нагреву от комнатной температуры до 650 °С со скоростью 1,5 град./мин., параллельно с термическим воздействием производилась регистрация параметров ТАЭ.

Результаты эксперимента

Характерные результаты испытания образцов мрамора из каждой группы с обшим размером приведены на рис. 1.

Рассмотрение представленных на рис. 1 зависимостей позволяет заключить, что с увеличением объема образцов происходит рост количества событий ТАЭ, регистрируемых в единицу времени, при этом характер

] .1

""и

_______________ УШ ш тжан яшш*;^

Рис. 1. Зависимость активности N ТАЭ в функции от температуры Т нагрева образцов мрамора Кибик - Кордонского месторождения с размерами:

(а) 10х10х10 мм; (б) 20х20х20 мм; (в) 20х20х40 мм; (г) 35х35х35 мм

Рис. 2. Зависимость активности N ТАЭ в функции от температуры Т нагрева образца гранита Южно-Султаевского месторождения

Таблица 1

Среднее значение активности ТАЭ NI в областях её экстремальных значений в зависимости от типа образца

Геоматериал Размер образца, мм NI , имп./с

Гранит 10x10x10 9

20x20x20 16

20x20x40 17

35x35x35 29

Мрамор 10x10x10 9

20x20x20 18

20x20x40 17

35x35x35 30

няется. Так, на всех термоакусто-граммах рис. 1 в температурном диапазоне 350—550 °С отчетливо прослеживается область экстремальных значений на порядок превосходящих аналогичные значения при температурах на границе указанного диапазона. Эта экстремальная область формируется за счет окисления содержащихся в мраморе Кибик-Кордонского месторождения включений битума, что было показано в [5].

Однако указанный рост N происходит только при увеличении всех линейных размеров образца. В случае рис. 1 (в) высота образца была в два раза больше, чем в случае, представленном на рис. 1 (б), при основании того же размера. Таким образом площадь образцов группы (в) равнялась двум площадям образцов группы

(б), но ^ у обоих групп примерно одинакова. Это объясняется тем, что при относительно равномерном нагреве всего объема образца регистрируются, в основном, сигналы ТАЭ излученные в непосредственной близости от области контакта волновода с поверхностью образца, те же из них, которые возникают на достаточном удалении, испытывают значительное затухание на пути к волноводу, в результате чего их амплитуда не превышает порог срабатывания измерительной аппаратуры и, соответственно, эти сигналы не регистрируются. В связи с этим, для устранения влияния затухания на результаты контроля образцов вытянутой формы и/или сложной геометрии следует рекомендовать одновременно регистрировать сигналы ТАЭ с двух и

более равноудаленных приемных устройства, а затем усреднять полученные результаты.

Для термоакустограмм гранита характерны те же закономерности изменения ^ в функции от размера образцов, что и для мрамора. Отличием является только то, что они содержат экстремальную область в температурном диапазоне 560^630 °С. Это объясняется значительным (до 30 %) содержанием в граните Южно-Султаевского месторождения включений кварца, который при Т= 573 °С претерпевает фазовый а/в переход, сопровождающийся аномальным увеличением активности ТАЭ [6]. Термоакустограмма одного из образцов гранита, размером 20х20х20 мм, являющаяся характерной для всей выборки, приведена на рис. 2.

С целью обобщения результатов проведенных измерений был произведен расчет среднего значения активности ТАЭ N1, в указанных экстремальных областях, для каждого из испы-

1. Лавров В.В., Шкуратник В.Л. Акустическая эмиссия при деформировании и разрушении горных пород обзор (обзор) // Акустический журнал, 2005, том 51, Приложение. - С. 6-18.

2. Jones C., Keaney G., Meredith P.G., Murrell S.A.F. Acoustic emission and fluid permeability measurements on thermally cracked rocks // Phys. Chem. Earth. 1997. V. 22. № 1/2. P. 13-17.

3. Винников В.А., Вознесенский А.С., Устинов К.Б., Шкуратник В.Л. Теоретические модели акустической эмиссии в горных породах при различных режимах их нагревания // ПМТФ, 2010, №1. - С. 100-105.

4. Вознесенский А.С., Шкуратник В.Л., Вильямов С.В., Винников В.А. Установка

танных образцов. Усредненные по единоразмерным группам результаты этих расчетов представлены в табл. 1.

Из данных табл. 1 не трудно рассчитать, что с увеличением всех линейных размеров образца в 2 раза и, соответственно, объема в 8 раз происходит рост Nz примерно в 2 раза. При этом, как было показано выше, характер ТАЭ полностью сохраняется. Учитывая соблюдение этого правила одновременно для гранита и мрамора можно предположить, что оно справедливо для широкого спектра скальных горных пород.

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

- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

для акустоэмиссионных исследований горных пород при их нагревании // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2007. - №12. - С. 143-150.

5. Шкуратник В.Л., Новиков Е.А. О влиянии предварительного механического нагружения образцов горных пород на характер проявления в них термоакустической эмиссии (материалы конференции) // УкрНДМ1 HAH Украпни, №9 (частина I) / Пщ заг. ред. A.B. Анциферова. - Донецк, y^naMi HAH Украпни, 2011. - С. 405-415

6. Зубов В.Г, Фирсова М.М. Об особенностях упругого поведения кварца в области a-Я перехода. //Кристаллография. 1962. Т. 7. №3.. EES

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -

Шкуратник В.Л. - доктор тexничecкиx наук, профессор, заведующий кафедрой, Новиков Е.А. - аспирант,

Московский государственный горный университет, е-таП: ftkp@mail.ru.