Электромагнитное излучение и акустическая эмиссия в гипсе при его деформировании

1. Бауков А.Ю. Виброакустический метод неразрушающего контроля слоистых структур и конструкций объектов подземного строительства. Доклад на XV сессии РАО. Нижний Новгород. - Сборник трудов XV сессии Российского Акустического общества, 2004.

2. Бауков Ю.Н., Павлов С.В., Бауков А.Ю. Экспериментальные исследования изгибных колеба-ний упругих пластин применительно к оптимизации виброаку-стического метода контроля. // Горный информационноаналитический бюллетень, МГГУ, 2004, №4.

3. Скучик Е. Простые и сложные колебательные системы. - М.: Мир, 1971.

4. Ямщиков B.C., Бауков Ю.Н., Сидоров Е.Е. Горная геофизика. Виброакустический метод. - М.: МГИ, 1991.

5. Голъдсмит Р. Удар. - М.: Мир, 1965.

6. Бауков А.Ю. Практический опыт применения

виброакустического метода при неразрушающем контроле слоистых конструкций подземного городского строительства. // Горный информационно-

аналитический бюллетень, МГГУ, 2004, №6.

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

Бауков А.Ю. - аспирант,

Павлов С.В. - студент,

Московский государственный горный университет.

------------------------------------ © А.С. Вознесенский, Д.В. Тамарин,

М.Н. Тавостин, В.В. Набатов,

Е.Н. Коновалов, 2005

УДК 621.37:534:622.363.51

A.C. Вознесенский, Д.В. Тамарин, М.Н. Тавостин,

B.В. Набатов, Е.Н. Коновалов

ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ И АКУСТИЧЕСКАЯ ЭМИССИЯ В ГИПСЕ ПРИ ЕГО ДЕФОРМИРОВАНИИ

Семинар № 2

Введение

~П настоящее время наибольшее внима--Я-М ние при деформировании и нагружении горных пород уделяется таким эмиссионным процессам, как акустическая эмиссия (АЭ) и естественное электромагнитное излучение (ЕЭМИ). Гипс является уникальной горной пород с высоким диэлектрическими свойствами, тангенс угла диэлектрических потерь мал (0,05

и менее) и диэлектрическая проницаемость около 6. Как показывают натурные исследования, естественное электромагнитное излучение в гипсе связано с процессами трещинообразо-вания и может характеризовать степень устойчивости, а также процессы разрушения в целиках и кровле подземных гипсовых месторождений.

*Работа выполнена при государственной поддержке ведущих научных школ

Рис. 1. Торцы образцов гипса, на которых производились испытания

Однако для правильной интерпретации результатов таких измерений необходимо установить взаимосвязи электромагнитных сигналов с механическими характеристиками (нагрузками и деформациями) горных пород, стадиями деформирования, а также с параметрами акустической эмиссии. Совместное использование этих явлений позволит дать более полную картину и повысить достоверность прогноза устойчивости конструктивных элементов системы разработки.

В данной работе осуществляется установление закономерностей изменения АЭ и ЕЭМИ при деформировании и нагружении образцов гипсосодержащих пород в лабораторных условиях.

1. Образцы, установки для нагружения и регистрационные системы

В данной работе проводились эксперименты на образцах гипса Новомосковского месторождения. Диаметр образцов 40-42 мм, высота 80 мм. Внешний вид двух торцов представлен на рис. 1. Здесь можно отметить немонолитный характер строения, что характеризует склонность к образованию породных блоков при деформировании.

При работе использовались следующие установки:

1. Пресс ЕШ00, камера всестороннего сжатия (стабилометр) БУ21. Камера позволяет проводить испытания образцов горных пород при одноосном и сложном напряженном состояниях.

2. Система «Прочность» (МГГУ - ООО

«Подземгазпром»), регистрирующая осевую и боковую нагрузки на образец, его продольные и поперечные деформации. Кроме того, она позволяет регистрировать ААЭ в полосе частот AF=20 кГц - 1 МГц.

3. Многоканальная система A-Line 32D («Интерюнис»), AF=30 кГц-500 кГц, регистрирует:

- полный сигнал АЭ объемом 5000 отсчетов каждый;

- ААЭ;

- амплитуду сигнала АЭ в уровнях АЦП и дБ по отношению к 1 мкВ входного сигнала;

- энергию сигнала АЭ в дБ;

- суммарную АЭ (суммарное количество актов АЭ от начала регистрации);

- другие параметры АЭ.

В процессе испытаний производится запись указанных величин на диски компьютеров. Обработка показаний производится после испытаний. Для обработки используется программное обеспечение, написанное в среде Mathcad, а также ряд специализированных прикладных компьютерных программ.

2. Порядок проведения испытаний и результаты

Испытание образца гипса проводилось при многоканальной регистрации АЭ и ЭМИ двумя системами. Система «Прочность» регистрировала параметры нагружения и деформирования образца. Система

«ALine 32 D» регистрировала АЭ по двум каналам (номера 2 и 3),

причем первый датчик располо-

Рис. 2. Зависимость объемной деформации и осевых напряжений от времени

жен на верхней крышке, осуществляющей давление на верхнюю грань образца, а второй - на нижней. Датчик ЭМИ размещался непосредственно на образце, и его показания регистрировались по каналу №4. Опыт проводился при одноосном нагружении образца.

Ниже на графиках представлены результаты испытаний образца гипса при одноосном сжатии без бокового давления. На рис. 2 изображены зависимости изменения нагрузки (осевых напряжений) и объемной деформации образца. Эти графики являются основными при описании хода эксперимента и позволяют устанавливать стадии деформирования.

Как следует из рис. 2, при линейном возрастании нагрузки деформации по мере нарастания демонстрируют скачкообразные сбросы (на рисунке отмечены наклонными стрелками). Это может быть объяснено образованием и сдвижением породных блоков в осевом направлении, что не дает образцу расширяться в стороны.

Рис. 3. Зависимость объемной деформации и активности эмиссии от времени

Рис. 4. Коэффициент корреляции между 2 и 3 каналом акустической эмиссии в зависимости от времени наблюдения

Рис. 5. Коэффициент корреляции между активностью эмиссионных процессов, зарегистрированных первым каналом АЭ и ЭМИ

Такой характер деформирования обусловлен отмеченной ранее структурой строения пород и проявляет себя при одноосном деформировании без бокового давления.

Для получения полной кривой деформирования необходимо производить испытания в условиях всестороннего сжатия, однако одноосные испытания тоже позволяют получить ряд зависимостей и характеристик. При этом режиме нагружения напряженное состояние близко к тому, которое испытывают породы в краевой части массива на контуре обнажения, что позволяет использовать такие результаты для интерпретации результатов натурных измерений, полученных непосредственно в выработках.

3. Анализ полученных результатов

По графикам, изображенным на рисунке 3, можно отметить, что в целом изменения ААЭ по второму и третьему каналу близки друг другу.

В процессе увеличения нагрузки на первых стадиях наблюдается возрастание ААЭ. Такой характер изменения этой величины наблюдается вплоть до 600 с. Начиная с этого момента, происходит переход к противоположному изменению ААЭ, регистрируемой верхним и нижним преобразователями, для верхнего преобразователя наблюдается уменьшение, а для нижнего - ее увеличение.

Это может быть объяснено тем, что монолитная структура подвергается делению на отдельные блоки, воспринимающие нагрузку раздельно друг от друга. При этом в определенные моменты нагрузку воспринимает и разрушается один блок, а в другие - другой. Если

на первых стадиях наблюдается высокая степень связи процессов регистрируемых в разных частях образца, то при приближении к разрушению наблюдается ослабление этой связи и противоположный характер изменения процессов в разных областях.

Степень и характер связи процессов ААЭ по второму и третьему каналу могут быть оценены с помощью коэффициента корреляции (рис. 4), характеризующего степень линейной связи между величинами.

В зоне запредельного деформирования после момента времени 570 с наблюдаются отрицательные значения коэффициента корреляции, что характеризует противоположное изменение ААЭ.

При его положительных и достаточно больших по величине значениях коэффициента корреляции можно сделать вывод о хаотической стадии процесса разрушения, связанного с увеличивающейся нагрузкой. При этом процессы разрушения происходят одинаково в разных областях, и эти области одинаково воспринимают нагрузку. При отрицательных значениях коэффициента корреляции можно сделать вывод о кластеризации процессов разрушения в определенных областях. Снижение интенсивности процесса разрушения в одной области будет сопровождаться его увеличением в другой.

Переход коэффициента корреляции в отрицательную область говорит о том, что образец разломился на части, и теперь каждая из них работает как отдельный объект.

1. Вознесенский A.C., Набатов В.В. Оценка трещи-нообразования в массиве с гипсосодержащими породами методом регистрации электромагнитного излучения // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. 2003, №3, с. 3-12.

На рис. 3 представлен также результат измерения ЕЭМИ. Механизм образования электромагнитной эмиссии связан с преобразованием накопленной упругой энергии в другие виды. Методические трудности при осуществлении лабораторных экспериментов по регистрации электромагнитной эмиссии нагруженных образцов горных пород связаны с необходимостью тщательной экранировки образцов от внешних электромагнитных помех. Вычисления коэффициента корреляции ААЭ и активности ЕЭМИ дают картину, изображенную на рис. 5.

Эксперимент показал, что гипс склонен к электромагнитному излучению при нагружении и деформировании. На графике рис. 3 видны участки роста ЭМИ и участки его стабилизации. Это объясняется процессами разрушения в зонах локального напряжения. Максимум уровня эмиссии соответствует моменту деформации перед разрушением образца.

Выводы

1. Лабораторные исследования показали, что гипс склонен к электромагнитной эмиссии при нагружении.

2. Данные испытания позволяют сделать вывод о высокой информативности данных методов на различных стадиях деформирования.

3. Установлено, что стадия запредельного деформирования сопровождается пространственным перемещением области разрушения; это проявляется в неодинаковом изменении активности акустической эмиссии по регистрационным каналам.

---------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

2. Вознесенский A.C., Набатов Вяч. В., Набатов Вд. В. Методика оценки напряженно-деформиро-ванного состояния массива пород методом регистрации электромагнитного излучения // Известия вузов Горный журнал. 2004, №5, с. 16-23.

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

Вознесенский Александр Сергеевич — доктор технических наук, профессор,

Тамарин Денис Владимирович - аспирант,

Набатов Владимир Вячеславович - кандидат технических наук, ст. преподаватель Московский государственный горный университет.

Тавостин Михаил Николаевич - кандидат технических наук, зав. лаб. ООО «Подземгазпром», Коновалов Евгений Николаевич - главный инженер шахты ОАО «Гипс Кнауф Новомосковск».

© Г. А. Воронов, 2005