CC BY
20
УДК 169.017
ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ТРЕЩИНООБРАЗОВАНИЯ В ДЕФОРМИРУЕМЫХ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛАХ И ГОРНЫХ ПОРОДАХ ПО ИХ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ЭМИССИИ
Геннадий Иванович Кулаков
Институт горного дела им. Н. А. Чинакала СО РАН, 630091, Россия, г. Новосибирск, Красный проспект, 54, доктор технических наук, профессор, главный научный сотрудник лаборатории механики горных пород, тел. (383)217-06-07, e-mail: kulakova.38@yandex.ru
Галина Евгеньевна Яковицкая
Институт горного дела им. Н. А. Чинакала СО РАН, 630091, Россия, г. Новосибирск, Красный проспект, 54, доктор технических наук, ведущий научный сотрудник лаборатории механики горных пород, тел. (383)217-08-06, e-mail: YGE@ngs.ru
Марина Дмитриевна Шарапова
Институт горного дела им. Н. А. Чинакала СО РАН, 630091, Россия, г. Новосибирск, Красный проспект, 54, младший научный сотрудник лаборатории механики горных пород, тел. (383)221-07-22, e-mail: zinval@rambler.ru
Валентина Ивановна Щелканова
Таштагольский горный техникум, 652990, Россия, Кемеровская обл., г. Таштагол, ул. Поспелова, 6, зам. директора по научной работе, тел. (838)473-326-00
Рассмотрено формирование электромагнитного излучения при нагружении конструкционных материалов, образцов горных пород, а также исследование ЭМИ в подземных горных выработках.
Ключевые слова: конструкционные материалы (алюминий), горные породы (мрамор), подземные горные выработки, стенд для исследования ЭМИ.
PREDICTING FRACTURING IN ENGINEERING MATERIALS AND ROCKS UNDER DEFORMATION BASED ON ELECTROMAGNETIC EMISSION
Gennady I. Kulakov
Chinakal Institute of Mining, Siberian Branch, Russian Academy of Sciences, 630091, Russia, Novosibirsk, 54 Krasny prospect, Doctor of Engineering Sciences, Professor, Principal Researcher, Rock Mechanics Laboratory, tel. (383)217-06-07, e-mail: kulakova.38@yandex.ru
Galina E. Yakovitskaya
Chinakal Institute of Mining, Siberian Branch, Russian Academy of Sciences, 630091, Russia, Novosibirsk, 54 Krasny prospect, Doctor of Engineering Sciences, Principal Researcher, Rock Mechanics Laboratory, tel. (383)217-08-06, e-mail: YGE@ngs.ru
Marina D. Sharapova
Chinakal Institute of Mining, Siberian Branch, Russian Academy of Sciences, 630091, Russia, Novosibirsk, 54 Krasny prospect, Junior Researcher, Rock Mechanics Laboratory, tel. (383)221-07-22, e-mail: zinval@rambler.ru
Valentina I. Shchelkanova
Tashtagol Mining Engineering School, 652992, Russia, Kemerovo Region, Tashtagol, 6 Pospelova Str., Deputy Director for Science, tel. (838)473-304-77
The paper studies electromagnetic emission in specimens of engineering materials and rocks subjected to loading, and analyzes EME in underground excavations.
Key words: engineering materials (aluminum), rocks (marble), underground excavations, EME test bench.
В институте горного дела Сибирского Отделения Российской Академии Наук выполняются исследования электромагнитного излучения (ЭМИ) конструкционных материалов, образцов горных пород. Метод ЭМИ используется при исследовании напряженного состояния горных пород на рудных шахтах, находит применение при исследовании горного давления, при оценке напряженного состояния крепи горных выработок, а также при оценке трещиновато-сти деформируемых горных пород. Возможность оценки трещиноватости горных пород позволяет прогнозировать обрушение горных пород, что, в свою очередь позволяет развивать исследования по прогнозированию динамических проявлений горного давления.
Еще одно направление в развитии исследований по использованию эффекта электромагнитного излучения - ЭМИ конструкционных материалов, в частности, в целях оценки степени старения различных конструкций и деталей машин и механизмов, используемых на предприятиях горной промышленности
[1-4].
В ИГД СО РАН в целях использования ЭМИ в условиях подземных выработок разработаны приборы по регистрации ЭМИ напряженных пород и конструкций: РЭМИ-2 и ИЭМИ-1. Приборы выполнены в малогабаритном исполнении (22^72x148), что упрощает их использование в условиях подземных горных выработках [5-6].
Тестовые эксперименты выполненные на лабораторном стенде (рис.2) [5] по нагружению образцов материалов в форме куба размера 3x3x3 мм. На рис. 1 приведены осциллограммы сигналов ЭМИ (а) и нагрузки (б) при использовании электрической цилиндрической системы конструкции ИГД СО РАН [6]. В процессе эксперимента антенна размещалась на расстоянии около 5 мм от боковой поверхности нагрузочного образца в процессе его разрушения. Диапазон регистрируемых частот 20 Гц-125 кГц. Из графиков (а) и (б) видно, что падению нагрузки (точнее моменту разрушения образца) на осциллограмме (б) соответствует возникновение импульсов ЭМИ значительных амплитуд. При этом на осциллограммах (а) и (б) четко видно, что первому вступлению сигнала ЭМИ соответствует моменту падения нагрузки.
На рис. 1 приведены спектральная осциллограмма электромагнитных сигналов (а) и осциллограммы (б), регистрируемые аппаратурой, приведенной на рис. 2, в процессе нагружения образца мрамора Искитимского карьера Новосибирской области.
Рис. 1. Синхронные осциллограммы электромагнитного сигнала (а)
и нагрузки (б)
Рис. 2. Структурная схема стенда
В эксперименте использовались электрическая цилиндрическая антенна диаметром 30 мм, высотой обкладки 30 мм конструкции ИГД СО РАН [5]. Антенна в процессе эксперимента располагалась на расстоянии 50 мм от боковой поверхности образца мрамора при его разрушении, регистрируемый диапазон частот - от 20 Гц до 125 кГц. Образец в форме кубика с ребром 40 мм. Из графиков на рис. 1 следует, что падение нагрузки (к моменту разрушения образца) на осциллограмме (б) соответствует возникновению импульсов электромагнитного излучения (ЭМИ), значительных амплитуд по каналам ЭМИ (а). При этом первые вступления сигнала ЭМИ (а) соответствует моменту падения нагрузки
(б). Структура сигнала ЭМИ включает три четко выделенных импульса, что соответствует формированию трех магистральных микротрещин в образце. Первый импульс ЭМИ имеет амплитуду примерно 1200 мВ и включает два дополнительных импульса, второй - 900 мВ, третий - (-200) мВ. Первый импульс формируется с положительной полуволной, второй импульс формируется с отрицательной полуволны, третий импульс формирует отрицательный полуволны. Первый импульс ЭМИ, сложный по структуре (содержит три дополнительных импульса), сформировался за время 12800 мкс. Первая трещина сформировалась за время 2100 мкс. На её бортах дополнительно сформировались три микротрещины. Вторая группа импульсов ЭМИ: Основной импульс с амплитудой 385 мВ и содержит дополнительных импульса, до основного (120 мкВ и -10мкВ). Вторая группа импульсов сформировалась за время t=3200 мкс. Здесь первый дополнительный импульс - импульс сформировался при 1= 3000 мкс, его амплитуда +120 мВ, второй дополнительный импульс 1=30100 мкс и амплитуда 50 мкВ, третий дополнительный импульс во второй группе отрицательный (амплитуда -20 мВ). И два дополнительных импульса во второй группе, сформировался за время 1=6250 мкс, амплитуда +250мВ.
Третья группа импульсов состоит из вступительной отрицательной полуволны и положительной полуволны, амплитуды которых -108 мВ, длительность 1600 мкс. Таким образом, в рассматриваемом случае (процесс разрушения образца мрамора) сформировались три группы импульсов: в первой группе сформировались три дополнительных импульса, во второй группе сформировались два дополнительных импульса, один из дополнительных в форме отрицательной полуволны с амплитудой около 200 мВ; второй также в форме отрицательной полуволны, но с амплитудой 570 мВ и длительностью около 250 мкс; третий импульс из двух полуволн противоположных знаков; промежутке между вторым и третьим импульсами выделился участок из шести подгрупп микроамплитудных импульсов с амплитудами 100-150 мВ и повышенной частотой.
Выводы по первому эксперименту.
При разрушении образца мрамора на лабораторном стенде сформировались последовательно во времени три группы трещин, из которых первая группа из основной трещины и трех дополнительных, вторая группа из основной трещины и трёх дополнительных. Третья группа из одной основной трещины, включающей отрицательную полуволну и положительную полуволну.
Выделился в промежутке времени между второй группой и третьей группой импульсов участок ЭМИ с однотипными амплитудами, в форме микроволн, структурно состоящих из шести групп микротрещин с амплитудами от 20-30 мВ до 100 мВ.
В каждой из выделенных групп трещин и микротрещин формировался отрицательный заряд из электронов в носике трещин, за счет перемещения которых в момент разрушения материала нагружаемого образца за счет движения зарядов и колебания стенок трещин формировались локальные источники тока, что привело к формированию ЭМИ. Формирующейся ЭМИ несет информацию о напряжениях и деформациях в нагружаемом образце мрамора. На этой основе
специалистами ИГД СО РАН и НГТУ разработаны малогабаритные приборы для измерения механических напряжений в массивах горных пород с использованием скважин в условиях горнодобывающих предприятий.
В статье рассматриваются эксперименты по исследованию разрушения образца алюминия в форме стержня при деформировании растяжением на ручном прессе. Структурная схема установки приведена на рис. 2. Эта же схема была использована при проведении эксперимента с породным образцом. Схема предусматриваем два вида нагружения (сжатие и растяжение).
Структурная схема стенда на рис. 2 включает: 1 - нагрузочное устройство (ручной пресс), 2 - цилиндрическая конденсаторная антенна, 3 - измерительный усилитель, 4 - модуль NI USB 9215-A, 5 - персональный компьютер, 6 - экспериментальный образец, 7 - заземление, Е - напряженность электромагнитного поля образца 6, U - сигнал ЭМИ, U2 - напряжение сигнала на выходе усилителя, U3 - оцифрованный сигнал. В качестве нагружающего устройства использован ручной пресс, обеспечивающий растяжение исследуемого образца 6, в качестве которого использован алюминиевый стержень. Персональный компьютер 5, снабжен программой Windows XP, по входу связан с выходом аналого-цифрового преобразователя 4 типа стандартного модуля NI USB 9215-A. Вход модуля связан с выходом измерительного усилителя 3 типа IN1 128 U. Цилиндрическая конденсаторная антенна 2 подающая сигнал ко входу измерительного усиливает 3 типа IN1 128 U.
На рис. 3 приведена осциллограмма ЭМИ алюминиевого образца, по оси абсцисс отложено время в мс, по оси ординат - амплитуда сигнала на выходе антенны.
Рис. 3. Осциллограмма электромагнитного сигнала при нагружении образца алюминия
Максимальный импульс произошел в момент времени 38.125 мс. Следующий большой импульс наблюдается в момент времени 38.3 мс. Первому максимуму сигнала 38.125 мс соответствует формирование трещины в образце. На следующих этапах продолжалось формирование микротрещин (пластическая деформация), пока не сформировалась следующая трещина соответствующая моменту времени 38.3 мс. К этому моменту пластическое деформирование достаточно развилось, что привело к разрушению образца, хотя процесс образования ЭМИ еще продолжался.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Егоров П.В., Иванов В.В., Колпакова Л.А., Пимеков А.Г., Динамика трещин и электромагнитное излучение горных пород // ФТПРПИ.- 1988. - № 5. - С. 20-17.
2. Яковицкая Г.Е.Методы и технические средства динамики состояния горных пород по основе электромагнитной эмиссии. - Новосибирск: Параллель, 2008. - 2008. - 315 с.
3. Тарасов Б.Г., Дырдин В.В., Иванов В.В. Применение методов электрометрии для оценки напряженного состояния краевых зон угольных пластов // ФТПРПИ. - 1978. - № 3. -С. 126-128.
4. Беспалько А.А., Гольд Р.М., Яворович Л.В., Дацко Д.И. Возбуждение электромагнитного излучения в слоистых горных породах при акустическом воздействии // ФТПРПИ. -2003. - № 2. - С. 8-14.
5. Курленя М.В., Вострецов А.Г., Кулаков Г.И., Яковицкая Г.Е. Регистрация и обработка сигналов электромагнитного излучения. - Новосибирск: изд-во СО РАН, 2000. - 232 с.
6. Яковицкая Г.Е. Электромагнитное излучение и автоколебательный процесс предраз-рушающего состояния горных пород // Докл. Сибирского Отделения Академии наук Высшей школы. / Новосибирский гос. тех. ун-т - 2003. - № 2 (3) - С. 128-133.
© Г. И. Кулаков, Г. Е. Яковицкая, М. Д. Шарапова, В. И. Щелканова, 2016
