CC BY
84
Науки о Земле
15
УДК: 512.21 : 622.235 (088.8)
ОПРЕДЕЛЕНИЕ СТАДИЙ ДЕФОРМАЦИОННОГО РАЗРУШЕНИЯ ГОРНЫХ ПОРОД ПО ДАННЫМ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
Мальшин Анатолий Александрович,
кандидат технических наук, доцент, e-mail: maa.ph@kuzstu.ru
Дочкин Александр Сергеевич, студент, e-mail: d-alexandr201 l@mail.ru
Кузбасский государственный технический университет имени Т.Ф. Горбачева, 650000, Россия, г. Кемерово, ул. Весенняя, 28
Аннотация
Статья посвящена определению стадий деформационного разрушения горных пород на основе регистрации импульсного электромагнитного излучения. Приведены результаты экспериментального изучения механического деформирования образцов осадочных и магматических горных пород по данным электромагнитного излучения в радио- и световом диапазонах. По характеру выделения ЭМИ и его характеристикам произведено деление на стадии разрушения образца (разрыв отдельной связи, образование элементарного дефекта структуры, создание кластеров, образование микротрещин). Сделаны выводы о различиях при деление на стадии для осадочных и магматических пород.
Ключевые слова: деформирование, горные породы, стадии разрушения, импульсное электромагнитное излучение, радио, свет.
При деформировании твердых тел в них начинается процесс накопления трещин и их распространение, при достижении определенной концентрации трещин наступает разрушение [1-6]. Целью настоящей работы является определение стадий деформационного разрушения горных пород на основе регистрации импульсного электромагнитного излучения (ЭМИ).
Измерение потоков импульсов ЭМИ в световом и радио- диапазонах при деформировании и разрушении горных пород проводилось на лабораторной установке, блок схема которой приведена на рис. 1 [7]. При этом проводилась оцифровка сигнала с помощью аналогово-цифрового преобразователя (АЦП) Е2-10 с передачей данных в
Рис. 1. Блок-схема установки: 1 - образец; 2 - антенна; 3, 10 - предусилитель; 4 - фильтр низких частот 5, 11 - АЦП; 6, 12 - компьютер; 7 - пресс;
8 - светозащитный кожух; 9 - ФЭУ; 13 - источник питания.
компьютер и записи параметров ЭМИ в электронных таблицах Excel. Далее с помощью программы выполненной на языке C# в среде программирования Visual Studio 2013 производился расчет характеристик количества и размеров трещин.
Программа позволяет работать с данными находящимися в электронных таблицах Excel. Данные извлекаются из колонок листа книги Excel, считываются и используются для нахождения средних размеров Lav и количества трещин образующихся при деформировании, энергии которая уходит в виде радиоимпульса при образовании микротрещины.
Методика изучения кинетики накопления трещин, включает экспериментальное измерение
16
А. А. Малыиин, А. С. Дочкин
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.
Вначале определялся минеральный состав и размер зерен минералов горной породы, модуль Юнга Е, коэффициент Пуассона v, плотность р, диаметр D и высота Н исследуемого образца. В процессе эксперимента регистрировались деформация образца е, скорость нагружения, разрушающее напряжение а„шл [8].
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 импульсы ЭМИ с различной постоянной времени от 10 нс до 10 мкс. При этом исходили из утверждения [3], что каждой образующейся трещине при деформировании горной породы соответствует радио- и световой импульс.
Измеряемыми характеристиками на выходе системы являлись временные зависимости числа накопленных импульсов ЭМИ:
АО?, Ni- число импульсов в радио- и световом диапазонах, выделившихся при разрушении образца;
Ar, А/ - амплитуда сигнала в радио- и световом диапазонах;
Х/к, Т/1 - время нарастания (фронта) импульса в радио- и световом диапазонах;
т>7?, х г/ - время релаксации (спада) импульса в радио- и световом диапазонах;
Предполагаем, что поток импульсов обусловлен процессом образования микротрещин, тогда, скорость генерации элементарных повреждений описывается формулой Журкова С.Н. [1]
Mt)
где N*- критическая концентрация микротрещин,
т(т) — 2"о * ехр{~~) ~ вРемя активации микро-
кТ
трещины при заданной температуре, у - структурно чувствительный коэффициент горной породы, a(t) - приложенное к горной породе механическое напряжение в некоторый момент времени [9].
Число импульсов в заданный момент времени определяется по формуле
t
N{t)= \N{t)dt.
О
Для изучения были взяты образцы Константи-новского месторождения: кварцевые диориты
(магматические породы), роговики (метаморфические породы), известняки (осадочные породы).
Кинетическая кривая накопления импульсов эмиссии, полученная на конкретном образце, рассматривается как отдельная реализация случайного процесса.
Кинетические кривые, полученные от различных образцов одной партии, рассматриваются как различные реализации одного и того же случайного процесса. Усреднение по реализациям случайного процесса проводится как усреднение результатов измерения по образцам из одной партии. После получения таким способом числовых характеристик случайного процесса импульсной эмиссии при разрушении, можно исследовать взаимосвязь между полученными числовыми характеристиками и на её основе сделать выводы о характере исследуемого случайного процесса [10].
Для всех зарегистрированных радио- и световых Nft , N[ импульсов находились средние
значения времен нарастания фронта импульса и времен релаксации по данным радио- и светового излучения
Nr /=1
R
,П
Ni /=1
/
fi
Ni
Средний размер микротрещины определяем по формуле
R ,
aav'
0,135 DH
alav ~
0,135 DH
Nr К N i
Данная формула получена из следующих соображений. Трещина раскола площадью
Scr = DH слагается из микротрещин. На основе концентрационного критерия разрушения для
/ *V- -1
плоского случая IК j ^ а — е ,значит
N = R*DН = DН(еа) 2 приращение площа-
ди трещины есть
AS = DH(еа)~2 па2 =жОНе~г.
Вычислялась предельная скорость распространения трещины для хрупких материалов по формуле:
У max — 0,38
где Е - модуль Юнга, Па, р - плотность, кг/ м3.
Предполагая, что для хрупких материалов предельная скорость распространения трещины есть постоянная величина, можно рассчитать конечный размер любой микротрещины, возникающей в процессе деформирования по данным радио- и светового излучения:
2aR~ тfR ^max > 2al ~ тfl ^max •
Науки о Земле
17
а
5 25 45 65 85
Нагрузка на одноосное растяжение, %
га Амплитуда импульсов -е-Число импульсов
б
DQ
5
га
о
л
£
о
со
О)
ш
о
5
ц
с
5
<
Нагрузка на одноосное растяжение, %
I I Амплитуда импульсов —д- -Число световых импульсов
Рис. 2. Зависимость количества радио- (а) и световых (б) импульсов и их амплитуд от приложенной нагрузки для кальцитизированного мраморизованного доломита
Критическая концентрация трещин, при которой происходит разрушение образца находится по формуле:
N* ={R* Lavf3<
где R е ; Lav « 2aav - средний размер тре-
И*
щин при нагружения. Сравниваем N с концен-
трацией трещин по счету импульсов Nr , iV/ .
Полная поверхность разрушения была определена по формуле:
2 = Я <*ау ^ + $сг >
где Scr — DH - площадь поверхности магистральной трещины разрушения; N - число микротрещин со средним размером 2aav.
На рис 2, 3 представлены результаты измерений количества импульсов и их амплитуд в зависимости от приложенной нагрузки для кальцитизированного мраморизованного доломита и кварцевого диорита. Конец каждой кривой соответствует разрушению образца. Для всех исследованных образцов горных пород характерно выделение радио- и светового импульсного излучения. Одна-
18
А. А. Малыиин, А. С. Дочкин
ко 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
[3,4].
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 подтвержда-
а
со
2
СО
о
и
л
с
>,
с
2
(О
d
с;
с
2
<
б
СО
2
СП
о
о
л
&
2
><
л
со
е
ф
со
0
1
d
с
2
<
Рис. 3. Зависимость количества радио- (а) и световых (б) импульсов и их амплитуд от приложенной нагрузки для кварцевого диорита
Науки о Земле
19
ется большой величиной амплитуды сигналов. Здесь концентраторы напряжений образуются в уже вполне определенных местах, по которым произойдет раскол образца.
Кинетика накопления микротрещин в мрамо-ризованных 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. 2 в кальцитизированном мраморизованном доломите появляются на самых ранних стадиях нагружения при ст<0,1стр, причем амплитуда импульсов меняется случайным образом и при всех прочих равных условиях оказывается меньше, чем амплитуда импульсов в кварцевых диоритах рис. 3.
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 отнести 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.2) за один раз регистрируется целая пачка импульсов: от 3 до 6 импульсов. Причем, чем больше нагрузка, тем больше количество импульсов. У кварцевого диорита (рис. 3) 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 приёмной аппаратуры.
Как видно из графиков, все породы можно разделить на две группы. Для первой группы образцов (осадочные породы) 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 магматические породы (кварцевый диориты). У этих образцов горных пород заметное выделение импульсов начинается при достижении 0,7-0,8 стр предельного значения нагрузок, но затем резко возрастает.
Накопление микротрещин в известняках 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.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Журков, С. Н. Физические основы прогнозирования механического разрушения / С. Н. Журков, В. С. Куксенко, В. А Петров. - Докл. АН СССР, 1981, 259(6): 1350-1353.
2. Алексеев, Д. В. Персистентность накопления трещин при нагружении горных пород и концентрационный критерий разрушения IIД. В. Алексеев, П. В. Егоров. - Докл. АН СССР, 1993, 333(6).
3. Иванов, В. £.Определение констант термофлуктуационного уравнения прочности и параметров трещин на основе импульсного электромагнитного излучения горных пород И В. В. Иванов, А. Г. Пимонов, П. В. Егоров, Л. А. Колпакова. - Изв. АН СССР. Физика Земли, 1990, 7: 78 - 84.
4. Егоров, П. В. Определение кинетических констант прочности и критического размера разрушения композиционных материалов на основе регистрации импульсного электромагнитного излучения при их разрушении / П. В. Егоров, В. В. Иванов, А. А. Малыиин II Прикл. механика и техн. физика, 1994, 4(Т.35): 35-40.
5. Kazunina G. A., Malshin A. A. 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.
6. Шемякин, E. И. О свободном разрушении твёрдых тел. ФТТ, 2008.22(5): 1531 - 1533.
7. Алексеев, Д. В. Статистические свойства электромагнитного и светового излучения при разрушении горных пород / Д. В. Алексеев, И. В. Егоров, А. А. Мальшин // Вестник Кузбасского технического университета, 2005. -№1: 18-22.
8. Опарин, В. И. Измерительная система совместной регистрации давления, перемещений и сопутствующего электромагнитного излучения при одноосном испытании образцов горных пород / В. Н. Опарин, Г. Е. Яковицкая, А. Г. Вострецов, А. В. Кривецкий, А. А. Бизяев И Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых, 2011. - №5: 6-16.
20
А. А. Малыиин, А. С. Дочкин
9. Беспалько, А. А Особенности спектра электромагнитных сигналов образцов горных пород при одноосном сжатии / А. А. Беспалько, Л. В. Яворович, П. Федотов, А. И. Попеляев И Контроль. Диагностика, 2013. -№ 9: 25-32.
10. Kazunina G.A. and Alekseev D.V. Kinetics and distribution clusters of damage in loaded materials: simulation with probabilistic cellular automaton. // Advanced materials research, 2013, 705: 191-196.
Поступило в редакцию 14.05.2015
THE DEFINITION OF STAGES OF DEFORMATION AND DESTRUCTION OF ROCKS ACCORDING TO ELECTROMAGNETIC RADIATION
Malshin Anatoly A.,
Ph. D., Associate Professor e-mail: maa.ph@kuzstu.ru
Dochkin Alexander S., student, e-mail: d-alexandr201 l@mail.ru
T.F. Gorbachev Kuzbass State Technical University, 28 street Vesennyaya, Kemerovo, 650000, Russian Federation
Abstract
The article deals with the definition of stages of deformation and destruction of rocks on the basis of reception of a pulse of electromagnetic radiation. The results of experimental study of the mechanical deformation of the samples of sedimentary and igneous rocks according to electromagnetic radiation in the radio and optical bands. By the nature of the allocation of AMY and characteristics produced by the division into stages of destruction of the sample (gap separate communication, education elementary defect patterns, clustering, education microti communities). The conclusions about the differences in division into stages for sedimentary and igneous rocks.
Keywords: deformation, rocks, fracturing, pulsed electromagnetic radiation, radio, light.
REFERENCES
1. Zhurkov, S. N., V. S. Kuksenko and V. A. Petrov, 1981. The physical basis for prediction of mechanical destruction. Doklady earth sciences, 259(6), pp: 1350-1353.
2. Alekseev, D. V. and P. V. Egorov, 1993. Persistence accumulation of cracks while grueenie rocks and concentration criterion of failure. Doklady physics, 6, pp: 333.
3. Ivanov, V. V., A.G. Pimonov, P P. V. Egorov and L. A. Kolpakova, 1990. The definition of constants thermofluctuation equations strength and crack parameters based on the im-pulse of electromagnetic radiation of rocks. Mechanics of solids, 7, pp: 78 - 84.
4. Egorov, P. V., V.V. Ivanov and A. A. Malshin, 1994. Determination of kinetic constants strength and the critical size for fracture of composite materials on the basis of detection of a pulsed electromagnetic radiation when they decay. Journal of applied mechanics and technical physics, 4(1. 35), pp: 35-40.
5. Kazunina, G. A. and A. A. Malshin, 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),
pp: 598-601.
6. Shemyakin, E. I., 1980. Free destruction of hard phone. Physics of the solid state, .22(5), pp: 1531 - 1533.
7. Alekseev, D. V, P. V. Egorov, V. V. Ivanov, A. A. Malshin and A. G. Pimonov, 1993. The statistical properties of the electromagnetic and light emission during fracture of rocks. Vestnik Kuzbasskogo gosudar-stvennogo tekhnicheskogo universiteta. 1, pp: 18-22.
8. Oparin, V. N., G. E. Yakovitskaya, A. G. Vostretsov, A. V. Krivetsky and A. A. Bizyaev, 2011. Measuring system the joint registration of pressure, displacement and side-relevant electromagnetic radiation under uniaxial testing of rock samples. Journal of mining science, 5, pp: 6-16.
9. Bezpalko, A. A., L. V. Yavorovich, P. V. Fedotov and A. I. Popelyaev, 2013. Especially the particular spectrum of electromagnetic signals in rock samples under uniaxial compression. Control. Diagnostica, 9, pp: 25-32.
10. Kazunina, G. A. and D. V. Alekseev, 2013. Kinetics and distribution clusters of damage in loaded materials: simulation with probabilistic cellular automaton. Advanced materials research, 705, pp: 191-196.
Received 14.05.2015
