Особенности акустической эмиссии на разных стадиях деформирования каменной соли

СЕМИНАР 3

ДОКЛАД НА СИМПОЗИУМЕ "НЕДЕЛЯ ГОРНЯКА -2001”

МОСКВА, МГГУ, 29 января - 2 февраля 2001 г.

© М.Н. Тавостин, А.С. Вознесенский, Ю.В. Демчишин, 2001

УДК 622.233

М.Н. Тавостин, А.С. Вознесенский,

Ю.В. Демчишин

ОСОБЕННОСТИ АКУСТИЧЕСКОЙ ЭМИССИИ НА РАЗНЫХ СТАДИЯХ ДЕФОРМИРОВАНИЯ КАМЕННОЙ СОЛИ

П

редел длительном прочности пород - одна из важнейших характеристик, принимаемая при расчете подземных хранилищ газа, размещаемых в пластах каменной соли, проявляющей свойства ползучести. Определение этой величины осуществляется, как правило, косвенными методами из кратковременных лабораторных испытаний. Эта величина выбирается из соотношений с различными характерными точками на кривых деформирования, которые могут быть разбиты на различные участки. Такими характерными точками являются точка максимального сжатия (минимума объемной деформации), точка перехода объемной деформацией нулевого значения и другие. В то же время помимо деформационных измерений, на основании которых производится разделение кривых деформирования на отдельные участки, необходима проверка полученных результатов также и другими методами.

В работе рассмотрены испытания нескольких конструкций: соляные кольца и цилиндрические образцы. Измерения производились на прессе Еи-100 в режиме линейно возрастающей деформации, а также с использованием стабилометра БВ-21 производства ВНИМИ, позволяющего производить испытания пород в режиме как одноосного, так и всестороннего нагружения при

Точка перехода в область запред. деформирования

Сброс I I нагрузки I

1r93 Напряжения. ААЭ

Щ

ААЭ, имп./ с

450 5

400 350 300 250 200 150 100 50 0

50 100150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650 700

Время от начала нагрузки, с

-2.5

500

250

100 200

300 400 500 600 700

Время от начала нагрузки, с Рис. 1. Изменение напряжений, их второй производной, ААЭ и ее среднего значения во времени

-250

малых скоростях деформирования. Регистрация показаний осуществлялась информационноизмерительной системой, осуществляющей запись на диск в реальном времени нагрузки, продольных, поперечных деформаций и активности акустической эмиссии (ААЭ) [1].

В первой группе испытаний силовое воздействие осуществлялось на торцы соляного кольца, установленного непосредственно между плитами Еи-500. Результаты измерений для образца 1г93 представлены на рис. 1.

Испытание колец позволяет получить напряженное состояние, более близкое к одноосному, чем испытание цилиндрических образцов.

Вторая производная напряжений характеризует кривизну этой зависимости от времени, и переход от положительных значений к отрицательным величинам свидетельствует об изменении знака кривизны.

На кривых деформирования (напряже-ний и ААЭ) в режиме линейно возрастающей деформации можно выделить 4 стадии (рис. 1). Для их распознавания используются различные параметры.

На первой происходит закрытие трещин, сближение зерен, причем определенной величине относительных перемещений зерен в продольном направлении соответствуют меньшие значения перемещений в поперечном направлении. при сближении зерен суммарная поверхность трения увеличивается, что сопровождается увеличением количества актов акустической эмиссии, т. е. ААЭ возрастает. На этой стадии происходит уплотнение материала, что отмечается увеличением дифференциального модуля упругости, вызываемого уплотнением, и как следствие - возрастанием наклона кривой время-нагрузка.

Переход от первой ко второй стадии отмечается на кривой напряжений изменением знака кривизны - от выпуклой к вогнутой. Этот момент на кривой усредненных значений активности акустической эмиссии отмечен сравнительно резким увеличением скорости возрастания ААЭ. Для второй стадии характерно возникновение новых трещин, распределенных по объему образца сравнительно равномерно. Количество трещин возрастает, поэтому увеличивается ААЭ (кроме акустической эмиссии, вызванной трещинами сдвига и трением берегов трещин, также возникает АЭ, вызванная образованием трещин отрыва). Увеличение количества трещин по объ-

ему приводит к уменьшению дифференциального модуля упругости, что выражается постепенным уменьшением наклона кривой время-нагрузка. При определенных допущениях эта точка может быть рассмотрена в качестве точки, соответствующей пределу длительной прочности.

Переход от второй к третьей стадии отмечен максимумом ААЭ. При этом происходит кластеризация возникающих трещин (их концентрация в определенных областях) и механизм объемного накопления трещин сменяется механизмом развития трещин в узких областях с образованием поверхностей скольжения. Для образцов, у которых контакт с пластинами пресса характеризуется значительным трением, кластеризация трещин происходит в областях конусных поверхностей. что в последствии придает разрушающемуся образцу форму песочных часов.

Дальнейшее развитие этого процесса приводит к тому, что увеличение деформаций вызывает не увеличение, а уменьшение нагрузки, т. е. происходит переход в четвертую стадию - стадию запредельного деформирования.

Следует отметить, что данные испытания проводились со сравнительно большой скоростью деформирования - около 10"4-10"3 1/с. При таких скоростях деформирования процессы ползучести и релаксации напряжений не успевают в достаточной степени затухать и играют значительную роль при формировании деформационных характеристик. Это может привести к серьезным погрешностям определения характерных точек, по которым потом рассчитывается предел длительной прочности.

Поэтому был поставлен ряд экспериментов по испытанию цилиндрических образцов соли диаметром 35 мм и высотой 70 мм, проводимых в камере БВ-21. Это дало возможность провести деформирование образцов со значительно меньшими скоростями - около 10-5 1/с в условиях всестороннего сжатия при боковом давлении 5 МПа.

На рис. 2 и 3 представлены результаты испытаний образца Т1 соли из скважины №6 Тульской площади. Испытание при пониженной скорости деформирования позволило выявить некоторые особенности. Так на начальном участке зависимости

ААЭ от продольной деформации может быть отмечен достаточно четко выражен-

Рис. 2. Изменение напряжений и ААЭ (вверху); объемной деформации и ААЭ (внизу) для образца Т1

Рис. 3. Изменение напряжений и ААЭ (вверху); объемной деформации и ААЭ (внизу) для образца Т2

этот минимум близок к точке изменения кривизны на зависимости напряжений от продольной деформации. То, что минимум ААЭ наблюдается при меньших деформациях, может свидетельствовать о меньших значениях продольной деформации, соответствующих максимальному уплотнению. После этого участка наблюдается участок, на котором среднее значение ААЭ остается практически неизменным. Дальнейшее увеличение продольной деформации приводит к увеличению скорости возрастания ААЭ. На этом участке интересно отметить, что начало увеличения ААЭ близко к точке максимального напряжения, переход через которую является переходом материала в область запредельного деформирования.

Аналогичные результаты получены и на образце Т2 из той же скважины. Здесь, как и в предыдущем случае, близкой к точке изменения кривизны зависимости напряжений точке также близка (практически совпадает) точка минимума ААЭ, а точка максимальных напряжений (точка перехода в запредельное состояние) соответствует точке начала интенсивного увеличения ААЭ.

Полученные результаты говорят о том, что такой параметр, как ААЭ, может служить достаточно надежным информативным параметром для определения характерных точек деформационной кривой.

Следует, однако, заметить, что это соответствие может наблюдаться только при соблюдении ряда условий, одним из которых является необходимый диапазон скоростей деформирования. Кроме того, как это следует из приведенных графиков, указанный результат может быть получен только с использованием соответствующей регистрирующей аппаратуры, позволяющей достаточно точно и часто по времени производить измерения.

Выводы

ный минимум. Интересно также отметить, что

1. Активность акустической эмиссии является важным информативным параметром, позволяющим уточнять и подтверждать значения деформаций, соответствующих точке максимального уплотнения материала (соли) и точке перехода в область запредельного деформирования.

2. Локальный минимум среднего значения ААЭ соответствует точке максимального уплотнения, а начало линейного участка возрастания среднего значения ААЭ соответствует точке перехода в запредельную область.

Авторы выражают благодарность М.Г. Дик-керту за помощь при проведении экспериментальных работ.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Акустическая эмиссия в каменной соли на стадиях затухающей и установившейся ползуче-

сти./ А. С. Вознесенский, Е. С. Оксенкруг, М. Н. Тавостин, и др. В сб.: Труды 5 сессии РАО «Про-

блемы геоакустики. Методы и средства.» Отв. ред. В. С. Ямщиков. М.: 1996, с. 177-180.

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ =

/------------------------------------------------------------------------------7

Тавостин Михаид Николаевич - зав. сектором ООО «Подземгазпром».

Вознесенский Александр Сергеевич - профессор, доктор технических наук, кафедра «Физико-технический контроль процессов горного производства», Московский государственный горный университет.

Демчишин Юрий Владимирович - ассистент, кафедра «Физико-технический контроль процессов горного производства», Московский государственный горный университет.