Физические и методологические аспекты акустоэмиссионного контроля напряженно-деформированного состояния массива горных пород

ФИЗИЧЕСКИЕ И МЕТОДОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ

АКУСТОЭМИССИОННОГО КОНТРОЛЯ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ МАССИВА ГОРНЫХ ПОРОД

Аркадий Васильевич Леонтьев

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт горного дела им.

Н.А. Чинакала Сибирского отделения РАН, 630091, Россия, г. Новосибирск, Красный пр., 54, д.т.н., главный научный сотрудник Лаборатории горной информатики, тел. (383)2170636, e-mail: leon@misd.nsc.ru

Рассмотрены пути организации схем контроля предельного состояния массива горных пород, базирующихся на регистрации акустической эмиссии. Отмечено, что регистрацию и анализ акустической эмиссии имеет смысл осуществлять в кооперации с контролем других геомеханических параметров состояния геосреды.

Ключевые слова: породный массив, геомониторинг, разрушение горных пород, акустическая эмиссия.

PHYSICAL AND METHODOLOGICAL ASPECTS OF ACOUSTIC EMISSION CONTROL OF THE STRESS-STRAIN STATE IN A ROCK MASS

Arcady V. Leontyev

N.A. Chinakal Institute of Mining, Siberian Branch, Russian Academy of Sciences, 54 Krasny Pr., Novosibirsk, 630091, Russia, Dr. Tech. Sci., Senior Research Scientist, phone: (383)217-06-36; e-mail: leon@misd.nsc.ru

The paper tackles the arrangement issues of the critical rock mass state control based on the acoustic emission recordings. It is pointed out the efficiency of the integrated control, involving the acoustic emission recording and the monitoring of other geomechanical parameters with the follow-on analysis of a geomedium state.

Key words: rock mass, geomonitoring, rock failure, acoustic emission.

Из кинетической концепции прочности твердых тел следует, что макроскопическое разрушение “целого” блока может произойти не только при нагружении материала до уровня предела прочности, но и при более низких нагрузках: главное, чтобы нагружение было длительным. Это неизбежно приводит к реализации термоактивационных процессов накопления повреждений, а макроразрушение наступает при достижении предельных концентраций повреждений в местах будущих разрывов [1-4]. Устойчивость системы хаотически распределенных дефектов в объеме нагруженного блока определяется значением K=R/li, где R - расстояние между дефектами (трещинами), а li - их линейный размер. Безразмерный параметр K фактически характеризует близость микротрещин: чем он больше, тем вероятнее взаимодействие дефектов, их кластеризация и слияние (см. рис.). Для широкого диапазона размеров и пороговых концентраций значение K постоянно, что побудило назвать его концентрационным критерием укрупнения трещин.

Отслеживая значения К, можно определить две стадии процесса разрушения блока массива горных пород: накопление дефектов в объеме нагруженного тела до определенной концентрации и далее появление и развитие очага разрушения. Ясно, что вторая стадия процесса характеризуется локализацией.

Рис. К механизму взаимодействия и слияния дефектов в нагруженном материале [3]: а-стабильная система с хаотически распределенными дефектами первого масштабного уровня, К < 3; б-переходная стадия в образовании дефектов второго масштабного уровня, К ~ 3; в-система, в которой завершен переход к образованию дефектов второго масштабного уровня, К > 3^5; г- начало образования дефектов следующего масштабного уровня

Считается, что разрушение деформируемой области массива произойдет, когда размеры очага разрушения станут соизмеримы с масштабами блока. В свою очередь существенное влияние на локализацию разрушений оказывают дефекты, размеры которых соизмеримы с размерами блока.

Среди большого числа прямых и косвенных методов обнаружения трещин в твердых телах наиболее универсальным для горных пород признан метод акустической эмиссии (АЭ). Его универсальность связана с тем, что упругие волны излучаются при образовании трещин любого масштаба, при этом изменяется только частотный диапазон излучения.

Существует международная классификация активности источников АЭ [3]. Активный источник (active source) - источник, активность которого увеличивается с возрастанием или сохранением уровня воздействия (нагрузки, давления и т.п.). Интенсивный источник (intense source) - активный источник, интенсивность которого постоянно превосходит среднюю интенсивность других активных источников в контролируемой системе. Критически активный источник (critically active source) - источник, активность которого увеличивается с возрастающей скоростью при повышении или сохранении уровня воздействия. Критически интенсивный источник (critically intense source) - источник, интенсивность которого постоянно увеличивается с возрастанием или сохранением уровня воздействия.

Классификация источников подсказывает пути организации схем контроля предельного состояния массива, базирующихся на регистрации АЭ. Здесь можно выделить три методических подхода.

1. Реальный породный массив представляет собой конструкцию с большим числом источников естественной (связанной с процессами внутренней перестройки материала) эмиссии. Многоканальная регистрация сигналов АЭ от датчиков, расположенных случайно на контролируемом массиве, вряд ли позволит выявить параметры, отражающие физические закономерности процесса его деформирования и разрушения. Здесь могут быть предложены для анализа статистические характеристики АЭ, в предположении, что они связаны со стохастическим поведением совокупностей дефектов [5]. Такой подход представляется экономически нецелесообразным.

2. Контролируемый участок массива может быть охвачен большим количеством многокомпонентных датчиков. При этом алгоритм контроля организован так, что в любой момент времени может быть выбрана группа датчиков, охватывающая участок с повышенным уровнем сейсмоакустической активности, т.е. лоцирован интенсивный источник. За выделенной областью массива устанавливается контроль, при котором осуществляется анализ совокупных информативных параметров, учитывающих одновременное изменение в процессе деформаций простых характеристик АЭ (например, скорости счета АЭ как кинетического параметра и амплитуды импульсов АЭ как энергетического параметра) [6]. При этом периодически, путем комбинирования данных по отдельным каналам, активность выбранного источника сравнивается с другими “болевыми областями” массива и детальный анализ параметров АЭ осуществляется в наиболее активных зонах. Практическое осуществление такого алгоритма возможно с помощью сложной измерительно-вычислительной сети сбора и обработки данных, что, по-видимому, целесообразно только для малоизученных объектов, а также подземных сооружений, разрушения которых нельзя допустить.

3. В породном массиве, исходя из данных квазистатических наблюдений и тестовых экспериментальных замеров, может быть выделен интенсивный источник акустической эмиссии, контроль за поведением которого обеспечивает оценку напряженно-деформированного состояния массива в некоторой области. Контрольных источников может быть несколько (исходя из принципа достаточности и необходимости) для заключения о состоянии всего контролируе-

мого пространства. Контроль параметров АЭ, излучаемой выделенным интенсивным источником, должен осуществляться датчиками направленной поляризации; не зависеть от случайных факторов и помех. Его следует осуществлять в ближней зоне действия источника, где акустические свойства горных пород сохраняются неизменными в процессе измерений и не искажают характеристик упругих волн.

Такой подход представляется наиболее целесообразным при создании систем контроля состояния массива исследовательского типа.

Регистрация и анализ акустической эмиссии имеет смысл при рассмотрении ее в связи с конкретным физическим явлением. Каждый параметр сигнала АЭ должен быть увязан с каким-либо параметром процесса деформирования или разрушения материала, т.к. является акустическим отображением процесса и вторичен по отношению к нему. Отсюда с необходимостью следует комплек-сирование методов геомеханического контроля, например, наряду с регистрацией АЭ вести замеры деформаций и измерений напряжений в контролируемой области массива.

Параметры АЭ, подлежащие контролю и анализу, могут быть подразделены на три группы. Первая включает статические параметры, в основе которых используется число импульсов и их скважность; вторая - первичные характеристики индивидуальных импульсов и третья - функционалы параметров первой и второй групп.

Параметры первой группы гостированы (ГОСТ 25.002-80). К ним относится число импульсов, суммарный счет акустической эмиссии, активность и скорость счета акустической эмиссии, а также энергия сигналов АЭ. Последняя может быть определена по квадрату амплитуды импульсов или как площадь осциллограммы. Фирмой Брюль и Къер для определения энергии АЭ (анализатор 4429) предложен метод “взвешивания“ - аналог вычисления площади осциллограммы. К первой группе параметров следует отнести амплитудный и частотный спектры потоков импульсов. Применение статических параметров предусматривает эмпирическое соответствие их элементам процесса деформирования или разрушения материала. Оценка этих процессов ведется по критическим значениям параметров АЭ. Высказывается суждение, что статические параметры АЭ могут характеризовать процессы разрушения, однако, не позволяют раскрыть механизм возникновения и развития повреждений в материале.

Вторая группа параметров сформировалась, в основном, при лабораторных испытаниях образцов материалов. К таким параметрам относятся длительность переднего фронта импульса, интервал корреляции, модовая и медианная частоты Фурье-образов импульсов, амплитуда вступления и доминирующие частоты импульсов. Детальность является характерным признаком этой группы параметров, а область их применения, по-видимому, ограничена анализом единичных актов излучения. Контроль состояния материала в больших объемах при помощи этих параметров затруднен из-за искажений, которые вносит среда в сигналы АЭ. Основным источником искажений сигналов является частотно -зависимое затухание упругих волн.

Поиск и обоснование параметров третьей группы обусловливается стремлением найти такие производные параметры импульсов АЭ, которые отражали бы механизм внутренней перестройки материала при нагружении и, в то же время, оставались бы устойчивыми к искажениям. Здесь рассматриваются функция спектральной плотности, отклонение узкополосных спектральных компонент, образы источника акустической эмиссии, построенные с привлечением группы параметров.

Изложенные выше физические и методологические аспекты акустоэмис-сионного контроля НДС массива горных пород в свое время были положены в основу проекта системы геомеханических наблюдений для условий Норильского комбината. Цикл исследований и разработок предусматривался государственной научно-технической программой 0.Ц.027 (задание 01.33).

Накопленный к настоящему времени задел знаний и практический опыт показывают, что, чем больше информации о геологии и тектонике месторождения, чем качественнее сделан проект рудника и чем строже он исполняется, чем лучше организован геодинамический мониторинг и качественно выполняется противоударная профилактика, тем более стабильно работает предприятие и тем меньше вероятность возникновения чрезвычайных ситуаций, в том числе горно-тектонических ударов и техногенных землетрясений.

С учетом сказанного, вопросы организации геомеханического мониторинга на действующих горнодобывающих предприятиях сохраняют свою актуальность, поскольку во многом определяют безопасность и эффективность производства.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Журков С.Н., Куксенко В.С., Петров В.А. и др. К вопросу о прогнозировании разрушения горных пород. // Изв. АН СССР. Физика Земли.-1977.-№6.

2. Войнов К.А., Краков А.С., Томилин Н.Г., Фролов Д.И. Пространственно -временной анализ процесса разрушения горного массива на примере Североуральских бокситовых месторождений (ПО СУБР) // ФТПРПИ.-1987.-№1. С. 22-27.

3. Садовский М.А. О моделях геофизической среды и сейсмический процесс // Прогноз землетрясений.-Душанбе-Москва: Дониш, 1983-1984.-№4. С. 268-272.

4. Куксенко В.С., Мансуров В.А. Локализация разрушения в горных породах на разных масштабных уровнях. // ФТПРПИ.-1986.-№3. С. 49-55.

5. Брагинский А.П., Евсеев Д.Г., Зданьски А.К. и др. Распознавание дефектов по спектральным характеристикам акустической эмиссии // Дефектоскопия.-1984.-№1. С. 47-54.

6. Шостак А.М., Марченков Н.А. и др. Разработка алгоритма многопараметрового акустико-эмиссионного прогнозирования прочности нагруженных конструкций // Дефектоско-пия.-1983.- №6. С. 88-92.

© А.В. Леонтьев, 2013