Исследования закономерностей акустической эмиссии при деформировании образцов угля с использованием методов статистической обработки экспериментальных данных

© С.В. Кучурин, 2005

УДК 622.02:539.2 С.В. Кучурин

ИССЛЕДОВАНИЯ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ АКУСТИЧЕСКОЙ ЭМИССИИ ПРИ ДЕФОРМИРОВАНИИ ОБРАЗЦОВ УГЛЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ МЕТОДОВ СТАТИСТИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ДАННЫХ

дним из перспективных направлений в области изучения свойств, состояния и структуры горных пород является использование метода акустической эмиссии (АЭ). Это подтверждается наличием значительного количества исследовательских работ, выполненных в последнее время с его применением. Причем объектами исследования в указанных работах являлись преимущественно хрупкие и пластичные горные породы, а также конструкционные материалы.

Экспериментальное изучение закономерностей АЭ в образцах угля при различных воздействиях на них велось менее интенсивно или не осуществлялось вообще [1, 2]. Результаты исследований АЭ других геоматериалов не универсальны и не могут быть непосредственно применены к углям. Подавляющее большинство акустико-эмис-сионных исследований угля проводится до настоящего времени в массиве в относительно низком сейсмоакустиче-ском диапазоне частот для прогноза геодина-мических явлений. Первые работы, связанные с АЭ при одноосном нагружении угольных образцов, относятся к 50-м годам прошлого века [3, 4]. При этом в последующие годы подобные работы были единичны и проводились главным образом в звуковом и нижнем ультразвуковом частотном диапазоне. Это не позволяло изучать процессы деструкции данного геоматериала, происходящие на микроуровне. Механические испытания проводились лишь в некоторых режимах из многих важных для практики. Данные обстоятельства объясняются сложностью и спецификой угля как объекта исследований: анизотропия, наличие нескольких

систем трещиноватости, гетерогенность, повышенная изменчивость физико-механических характеристик, вязко-упругие свойства, физико-химическая активность, упорядоченность и аморфность структуры, многообразие генетических типов и петрографического состава, особенности генезиса (органогенная высокополимерная осадочная порода) и др. Угли характеризуются значительным частотнозависимым затуханием упругих волн [5] и трудностью изготовления образцов правильной геометрической формы без внесения дополнительной дефектности. Вышеуказанные обстоятельства обуславливают также проблемы интерпретации акустоэмиссионного поведения угля.

В данной работе проведены экспериментальные исследования АЭ угля при его одноосных испытаниях в двух принципиально различных режимах: при постоянной скорости нагружения ( <Г1 = const) и при постоянной скорости продольной деформации (е1 = const). Их целью являлись идентификация стадий деформирования и оценка физико-механических свойств и состояния угля по информативным параметрам эмиссии, а также анализ возможностей упрощения и повышения надежности решения указанных задач с использованием статистической процедуры сглаживания экспериментальных данных. Объектом исследования служил антрацит бывшей шахты «Западная» (г. Новошахтинск Ростовской области). Испытания осуществлялись на цилиндрических образцах высотой 100 мм и диаметром 50 мм.

* Работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (проект № 04-05-64885) и программы «Ведущие научные школы» (проект НШ-1467.2003.5).

Рис. 1. Качественные зависимости а1- е1 и N1 - е1 при постоянной скорости одноосного нагружения угля

Рис. 2. Качественные зависимости и1 - е1 и N1 - е1 при постоянной скорости продольного деформирования

угля

Эксперименты проводились в камере запредельного деформирования БВ-21 (конструкции ВНИМИ). При этом измерялись величины напряжений oj, продольной sj и поперечной е2 деформаций с помощью компьютеризированной тензометрической системы СИ-ИТ-2 [6]. Регистрация скорости счета АЭ N велась акустико-эмиссионным измерительным комплексом A-Line 32D в полосе частот от 30 до 500 кГц. По результатам испытаний производились также вычисления значений объемной деформации sv = sj + 2s3 и суммарной АЭ Ne

Рассмотрим типичные графические зависимости поведения важнейших информативных эмиссионных и деформационных параметров образцов угля в двух указанных выше режимах одноосных испытаний: aj - sj, N - sj и Ns - ej. На рис. 1-4 приведено их схематичное изображение, полученное с помощью процедуры отрицательного экспоненциально-весового сглаживания. Данный способ графической формализации результатов экспериментов позволяет без ущерба для исследования закономерностей проявления АЭ в образцах угля выявить наиболее общую их модель (своего рода «акустоэмиссионный паспорт»), отвлекаясь от частных деталей изучаемого процесса и количественных параметров. Кроме того, подобные статистические приемы позволяют облегчить выявление характерных тенденций при анализе экспериментальных данных, которые могут быть трудны для распознавания при использовании точечных (или же линейчатых) графических зависимостей ввиду неоднозначности интерпретации. На рис. 1 и 2 в качестве примера показаны также точечные графики поведения акустоэмиссионного параметра N наряду со сглаженными сплошными кривыми. Кроме того, такие процедуры статистической обработки данных обеспечивают возможности уменьшения влияния случайных погрешностей измере-

о А В С

о/

О Л В С D Е F е.

ния и повышения надежности интерпретации анализируемой информации о стохастическом по своей природе процессе АЭ. В дальнейшем подобная модель при необходимости может быть разбита на отдельные элементы, которые могут быть количественно описаны с помощью методов линейной или же нелинейной регрессии.

На графических зависимостях вертикальными линиями показаны границы перехода между различными стадиями деформирования образцов антрацита, которые обозначены заглавными (рис. 1, 2) и строчными (рис. 3, 4) латинскими буквами. Стадии деформирования выявлялись при сопоставлении графических зависимостей параметров АЭ и механических характеристик.

В процессе испытаний угля при сг1 = const и е1 = const (рис. 1, 2) выделяются четыре общих стадии деформирования: 0A - начальная (пригрузки), AB - упругая, BC - упругопластическая и CD - предельного разрушения. В случае e1 = const присутствуют также пятая стадия DE - запредельного разрушения и шестая стадия EF - запредельной дезинтеграции.

'у/

N1

На стадии 0А имеет место повышенный уровень значений N . Стадия АВ характеризуется снижением величин N до минимальных значений. Точка В соответствует достижению предела упругости угля (стД На стадии ВС происходит возрастание значений скорости счета АЭ. Граница С обозначает предел длительной прочности (а!*), характеризующий начало дилатансии геоматериала и наиболее интенсивное возрастание значений N, который может быть также дополнительно уточнен по максимуму на графической зависимости - а1. Стадия СБ протекает при значениях N , близких к максимальным. Граница Б соответствует пределу мгновенной прочности угля (<гс), достижение которого сопровождается максимальными величинами N. На стадии БЕ происходит спад скорости счета АЭ. В точке Е имеет место начало наиболее активного роста значений N, что определяется достижением предела длительной прочности в запредельной области деформирования. На стадии ЕЕ после достижения величиной N значений, близких к максимальным, происходит процесс ее спада до некоторого уровня.

Рис. 3. Качественные зависимости а1- е1 и N - е1 для угля при деформировании с постоянной скоростью одноосного нагружения

Рис. 4. Качественные зависимости а1- е1 и N2 - е1 для угля при деформировании с постоянной скоростью продольной деформации

Суммарная АЭ также позволяет выделить на характерных графических зависимостях (рис. 3, 4) определенные стадии деформирования и границы между ними, соответствующие параметрам физико-механи-ческих свойств угля. Так, на стадии 0а происходит упругое деформирование угольного образца, где а - точка излома (перегиба) графика - е1, соответствующая ае. Стадия аЬ характеризуется максимальной скоростью накопления упругих импульсов, что происходит за счет упругопластических процессов. Граница Ь отмечает достижение углем ас. На рис. 4 выделены еще две стадии. Стадия Ьс характеризует запредельное разрушение при уменьшении угла наклона кумулятивного графика АЭ по сравнению со стадией аЬ. Эта стадия протекает на фоне неустойчивого накопления импульсов АЭ. Точка излома с определяется достижением предела остаточной прочности угля (оо). Завершающая стадия остаточной прочности cd протекает при еще меньших скоростях накопления сигналов эмиссии по сравнению со стадиями аЬ и Ьс.

Необходимо отметить также, что в количественном отношении средние значения А/ (имп./с) для угольных образцов в проведенных экспериментах превышали таковые приблизительно в 1,4 раза для пластичных пород типа каменной соли и на порядок или более - по сравнению с хрупкими горными породами (известняк, доломит), которые испытывались в идентичных условиях [7]. По причине относительно более низкой прочности и повышенной нарушенное™ угольный пласт может выступать, таким образом, своеобразным индикатором напряженно-деформированного состояния углепородного массива, обладающим повышенной чувствительностью к различным нагружающим воздействиям [8].

Проведенные эксперименты свидетельствуют, что каждый из описанных режимов одноосного деформирования угольных образцов может быть идентифицирован по характерному проявлению АЭ.

Уголь при одноосном сжатии в большинстве случаев проявляет преимущественно хрупкий характер деформирования, однако выделенные для него стадии данного процесса и переходы между ними аналогичны таковым для пластичных пород типа каменных солей. Этот факт подчеркивает правомерность отнесения угля к отдельному классу объектов в области исследования АЭ геоматериалов.

В каждом из исследованных режимов нагружения испытывалось по 10 образцов антрацита. При этом, несмотря на повышенную изменчивость прочностных и структурных свойств угля наблюдалась устойчивость общего характера поведения АЭ во времени. Указанные различия свойств образцов обусловили лишь отличия абсолютных значений параметров АЭ, а также сдвиг выделенных границ между стадиями деформирования относительно средних значений в пределах 50 % для каждого из режимов нагружения: в сторону меньших значений напряжений - для менее прочных образцов и повышенных напряжений - для образцов большей прочности.

1. Шкуратник В.Л., Филимонов Ю.Л., Кучурин

С.В. Экспериментальные исследования акустической эмиссии в образцах угля при одноосном нагружении // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых (ФТПРПИ). - 2004. - № 5. - С. 42-49.

2. Шкуратник В.Л., Филимонов Ю.Л., Кучурин

С.В. Закономерности акустической эмиссии в образцах угля при трехосном деформировании // ФТПРПИ. -2004. - № 6. - С. 12-19.

3. Назарный С.А. Установление предупреди-

тельных признаков внезапных выбросов угля и газа с помощью микросейсмических приборов // Уголь. - 1953. - №3. - С. 32-37.

4. Константинова А.Г. Сейсмоакустические

наблюдения при разрушении образцов кизеловского угля. - В сб.: Рудничная аэрогазодинамика и безопасность горных работ. - М.: Наука, 1964. - С. 155-162.

5. McCabe WM. Acoustic emission in coal: a laboratory study // Proc. 2nd Conf. on Acoustic Emission / Mi-croseismic Activity in Geologic Structures and Materials. (Eds: H.R.Hardy, Jr. & F.W.Leighton). - Clausthal. Trans. Tech. Publications. - 1980. - P. 35-53.

Результаты проведенных исследований указывают на эффективность использования информативных акустоэмиссионных параметров в практике контроля и прогноза напряженно-деформированного состояния угольных пластов и динамических явлений в углепородном массиве.

Применяемая в работе процедура сглаживания позволила получить типичные обобщенные модели поведения АЭ в угле, с помощью которых даже при отсутствии данных о деформационных кривых геоматериала возможно выделение стадий деформирования и границ между ними по установленным аномалиям информативных параметров эмиссии (экстремумам, возрастанию и убыванию зависимостей). Кроме того, использованный прием статистической обработки данных облегчает извлечение полезной информации, осложненное при подобных исследованиях тем, что импульсное стохастическое явление АЭ представляет собой шумоподобный процесс, что особенно проявляется при изучении малоамплитудных акустоэмиссионных сигналов в ультразвуковом диапазоне частот.

----------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

6. Вознесенский А.С., Оксенкруг Е.С., Тавостин М.Н., Филимонов Ю.Л., Шафаренко Е.М., Вознесенский В.А. Акустическая эмиссия в каменной соли на стадиях затухающей и установившейся ползучести // Проблемы геоакустики: методы и средства (Сб. тр. V сессии Российского акустического общества) / Под ред. B.C. Ямщикова. - М.: ИздательствоМГГУ, 1996. - С. 177-180.

7. Шкуратник В.Л., Филимонов Ю.Л. О взаимосвязи параметров акустической эмиссии с физикомеханическими свойствами и процессами разрушения соляных горных пород // Сб. тр. Междунар. конф. «Геодинамика и напряженное состояние недр Земли» (6-9 октября 2003 г.). - Новосибирск: Изд-во ИГД СО РАН, 2004. - С. 35-39.

8. Chugh Y.P., Heidinger G.H. Effect of coal lithology on observed microseismic activity during laboratory tests // Proc. 2nd Conf. on Acoustic Emission / Micro-seismic Activity in Geologic Structures and Materials (Eds: H.R.Hardy, Jr. & F.W.Leighton). - Clausthal. Trans. Tech. Publications. - 1980. - P. 55-61.

— Коротко об авторах --------------------------------------------------------------------

Кучурин Станислав Валерьевич - магистрант кафедры «Физико-технический контроль процессов горного производства», Московский государственный горный университет.