удк 622 прогноз стадий разрушения горных пород по данным

УДК 622
ПРОГНОЗ СТАДИЙ РАЗРУШЕНИЯ ГОРНЫХ ПОРОД
ПО ДАННЫМ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
А.С. Дочкин, студент гр. ПИб-131, II курс
Научный руководитель: А.А. Мальшин, к.т.н., доцент
Кузбасский государственный технический университет
имени Т.Ф. Горбачева, г. Кемерово
В настоящей работе были исследовано, как изменяются параметры
электромагнитного излучения (ЭМИ) в световом и радио- диапазонах при деформировании и разрушении и горных пород. Измерение потоков импульсов
эмиссии проводилось на лабораторной установке, блок схема которой приведена на рис. 1 [1]. При этом проводилась оцифровка сигнала с помощью аналогово-цифрового преобразователя (АЦП) Е2-10 с передачей данных в компьютер и записи параметров ЭМИ в электронных таблицах Excel. Далее с помощью программы выполненной на языке C# в среде программирования
Visual Studio 2013 проводился расчет.
Рис. 1. Блок-схема установки:1 - образец; 2 - антенны; 3, 10 - усилитель; 4
фильтр низких частот 5, 11 - АЦП; 6, 12 - компьютер; 7 - нагружающее
устройство; 8 - светозащитный кожух; 9 - ФЭУ; 13 - источник питания.
Программа позволяет работать с данными находящимися в электронных таблицах Excel. Данные извлекаются из колонок листа книги Excel, считываются и используются для нахождения средних размеров Lср и количества
трещин N образующихся при деформировании, энергии W которая уходит в
виде радиоимпульса при образовании микротрещины. Оценка критической
концентрации трещин на разных стадиях деформирования проводилась по
формуле [2]:

N   e Lср
3 .
Методика изучения кинетики накопления трещин, включает экспериментальное измерение параметров ЭМИ в радио- и световом диапазонах по
двухканальной схеме в режиме механического деформирования образцов,
физико-химический анализ структуры пород и статистический корреляционный анализ полученного массива данных.
Физической основой метода является генерация импульса ЭМИ (свет,
радио-), обусловленного возникновением заряда на образующейся при разрушении поверхности микротрещины и механизмы его дальнейшей релаксации. Данная методика позволяет регистрировать ИЭМИ с различной постоянной времени от 10 нс до 10 мкс. При этом исходили из утверждения [1], что
каждой образующейся трещине при деформировании горной породы соответствует радио- и световой импульс.
На рис 2, 3 представлены результаты измерений количества импульсов
и их амплитуд в зависимости от приложенной нагрузки для мраморизованного доломита и кварцевого диорита. Конец каждой кривой соответствует разрушению образца. Для всех исследованных образцов горных пород характерно выделение радио- и светового импульсного излучения. Однако количество
импульсов и характер выделения их для различных пород неодинаковы.
Видно, что по зависимости деформации от нагрузки сложно получить
информацию о стадии разрушения образца (разрыв отдельной связи, образование элементарного дефекта структуры, создание кластеров, образование
микротрещин и магистральных трещин). Совместная регистрация радио- и
светового импульсного излучения позволяет судить о кинетике образования
микротрещин [2].
При нагрузках до 10% от разрушающей число микротрещин мало - это
позволяет предположить, что первоначально большинство микротрещин образуется в результате переориентации одного или нескольких зерен (поворот
на некоторый угол, растаскивание, скольжение зерен, их передвижение).
Следующий участок от 10% до 60% , на наш взгляд, нужно отнести ко
времени формирования очага разрушения, то есть к подготовке образования
магистральной трещины раскола. Участок от 60 до 75% характеризуется тем,
что выделение импульсного электромагнитного излучения не наблюдается,
поэтому он назван зоной «затишья».
При нагрузках от 75% до 80% образуются микротрещины, формируется
очаг разрушения. Далее на этом этапе микротрещины могут образовываться и
путем разрушения самих зерен породообразующего минерала, что также подтверждается большой величиной амплитуды сигналов. Здесь концентраторы
напряжений образуются в уже вполне определенных местах, по которым произойдет раскол образца.
Кинетика накопления микротрещин в мраморизованных доломитах отличается гораздо большей равномерностью и в момент полного разрушения
не наблюдается сильного всплеска импульсного радио и светового излучения,
что свидетельствует об отсутствии значительной локализации разрушения
вдоль небольшой поверхности, с которой начинается распространение макроразрыва. Первые импульсы светового излучения рис.3 в кальцитизированном
мраморизованном доломите появляются уже на самых ранних стадиях нагружения при <0,1p, причем амплитуда импульсов меняется случайным образом и при всех прочих равных условиях оказывается меньше, чем амплитуда
импульсов в кварцевых диоритах.
10
200
8
150
6
100
4
50
2
0
Амплитуда радио- импульса, мВ
250
0
5
25
45
65
85
Нагрузка на одноосное растяжение, %
Амплитуда импульсов
Число импульсов
150
10
8
100
6
4
50
2
0
0
5
25
45
65
85
Нагрузка на одноосное растяжение, %
Амплитуда импульсов
Число световых импульсов
Амплитуда светового импульса, мВ
б
Число световых импульсов
Число радио- импульсов
а
Рис.2. Зависимость количества радио- (а) и световых
(б) импульсов и их амплитуд от приложенной нагрузки
для кальцитизированного мраморизованного доломита
а
4
3
100
2
10
1
1
Амплитуда импульсов, мВ
Число импульсов,
1000
0
10
30
50
701
90
Нагрузка, %
Амплитуда импульсов
Число радиоимпульсов
1000
15
100
10
10
5
1
0
10
30
50
70
Амплитуда световых импульсов, мВ
Число световых импульсов
б
90
Нагрузка на одноосное растяжение, %
Амплитуда импульсов
Число световых импульсов
Рис.3. Зависимость количества радио- (а) и световых (б) импульсов и
их амплитуд от приложенной нагрузки для кварцевого диорита
Из графиков видно, что в процессе равномерного нагружения образцов
идет неравномерное испускание радио- и света. На экспериментальных кривых имеются участки с резким возрастанием счета импульсов, что можно от-
нести к началу определенной стадии деформирования образцов и более медленный счет импульсов, что также характеризует интенсивность протекающего разрушения.
Кроме того, различен характер испускания импульсов различными породами. Например, у кальцитизированного мраморизованного доломита
(рис.3) за один раз регистрируется целая пачка импульсов: от 1 до 6 импульсов. Причем, чем больше нагрузка, тем больше количество импульсов. У
кварцевого диорита (рис. 4) процесс испускания импульсов имеет другой характер: на начальном этапе деформирования идут единичные импульсы, потом число импульсов резко возрастает, затем наступает период «затишья» и
раскол образца. Отметим, что так называемый период «затишья» характерен
для всех исследованных образцов горных пород и, вероятно, указывает на
начало процесса накопления энергии материалов, которая в результате идет
на образование магистральной трещины. Малое значение числа импульсов N,
а также малые значения амплитуд этих импульсов даже при расколе не означают отсутствия процесса трещинообразования, а следовательно, светового и
радио- импульсного излучения. Регистрируются лишь те импульсы энергия,
которых в данной породе, выше порога чувствительности приѐмной аппаратуры.
Как видно из графиков, все породы можно разделить на две группы.
Для первой группы образцов характерно выделение импульсов уже при малых нагрузках и идет практически в течение всего нагружения, увеличиваясь
при расколе, к этой группе относятся известняки. Ко второй группе относятся
кварцевый диориты. У этих образцов горных пород заметное выделение импульсов начинается при достижении 0,7-0,8 р предельного значения нагрузок, но затем резко возрастает.
Накопление микротрещин происходит практически с постоянной скоростью и более равномерно (без значительных случайных колебаний скорости), чем в кварцевых диоритах. В момент полного разрушения и в предшествующий ему момент времени не наблюдается значительного роста числа
импульсов, а распространение магистрального разрыва сопровождается высыпанием зерен с поверхности разрушения (иногда с образованием полостей
измельченного материала), что свидетельствует о равномерном росте поверхности разрушения уже на первой стадии за счет накопления и случайного
объединения поверхностей микротрещин в будущую поверхность (полость)
разрушения. Подтверждением приводимых соображений является расчет
критической концентрации трещин на разных стадиях деформирования.
Список литературы
1. Kazunina, G. A. and A. A. Mal’shin, 2008. Study of the kinetics of damage accumulation in loaded materials based on impulse electromagnetic and photon
emission Russian Physics Journal, Springer New York, .52 (6): 598-601.
2. Алексеев, Д.В., П.В. Егоров, 1993. Персистентность накопления трещин при нагружении горных пород и концентрационный критерий разруше-
ния. Докл. АН СССР, 333(6).