CC BY
30
- © П.В. Николенко, Д.С. Буянова,
А.Ю. Цариков, А.А. Кормнов, 2014
УДК 622.02:539.2
П.В. Николенко, Д.С. Буянова, А.Ю. Цариков, А.А. Кормнов
КОНТРОЛЬ НАПРЯЖЕНИЙ В МАССИВЕ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ АКУСТИКО-ЭМИССИОННЫХ ЭФФЕКТОВ В АНИЗОТРОПНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛАХ С ИСКУССТВЕННО НАВЕДЕННОЙ ДЕФЕКТНОСТЬЮ*
Экспериментально установлена взаимосвязь между проявлением аку-стической эмиссии и модулем упругости единичного включения в образцах анизотропных композиционных материалов на основе эпоксидной смолы. Показаны характерные особенности проявления акустической эмиссии в зависимости от угла между упругим включением и направлением приложения нагрузки. Предложен метод определения направления максимального главного напряжения в породном массиве. Ключевые слова: акустическая эмиссия, композиционный материал, анизотропия, контроль, напряженно-деформированное состояние, массив горных пород.
Актуальность и важность проблемы контроля напряженно-деформированного состояния (НДС) массива горных пород на сегодняшний день не вызывает сомнений. Наличие наиболее полной информацией о НДС массива в зоне ведения горных работ является предпосылкой к повышению безопасности и эффективности добычи полезных ископаемых. Современные расчетные методы определения напряжений, получившие активное развитие в последние годы, позволяют производить оценку НДС массива на основе разработанных геомеханических моделей. Но в виду высокой степени неоднородности, блочности и разномасштабной дефектности массива такие методы требуют натурной верификации с применением геомеханических и геофизических методов, обеспечивающих необходимый уровень точности и полноты получаемой информации.
Одним из перспективных направлений развития экспериментальных
методов контроля НДС массива является применение акустико-эмиссион-ного эффекта памяти (АЭЭП) в искусственных материалах, размещаемых в исследуемых областях породного массива. Суть этого эффекта заключается в невоспроизводимости активности акустической эмиссии (АЭ) в процессе циклического нагружения соответствующего объекта исследования при напряжениях, меньших максимально достигнутого ранее значения напряжения. При этом в момент достижения указанного значения активность АЭ скачкообразно возрастает [1]. Особенностью проявления АЭЭП в материалах, обладающих анизотропией свойств, является чувствительность проявления этого эффекта к направлению приложения установочной и тестовой нагрузок.
Ранее в работе [2] были сформулированы методы определения напряжений в массиве с использованием изотропного дисперсно наполненного
* Работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (соглашение № 14-05-31201\14)
N, соб. 300
20 , т 30 а, МПа
Рис. 1. Пример зависимости пци/ для ооразцов эпоксидном смолы с упругим включением из стали (1) и мусковита (2)
композита на основе эпоксидном смолы и кварцевого песка. Исследования показали, что такого рода материалы оказываются чувствительны к ранее испытанным нагрузкам и могут воспроизводить эту информацию при повторном нагружении. Однако однородность свойств таких материалов препятствует развитию возможностей контроля направлений главных напряжений в массиве. В настоящей работе представлено экспериментальное исследование проявления акустико-эмиссионных эффектов в анизотропных композитах на основе эпоксидной смолы с различными наполнителями, предпринята попытка объяснения механизмов проявления АЭ в таких материалах.
В рамках первой части работы производилось исследование параметров проявления акустико-эмисси-онных эффектов в композитах в зависимости от материала наполнителя. Исследования велись на специально сконструированном лабораторном стенде [3], характерной особенностью которого является полное отсутствие акустических помех как в процессе нагружения, так и в процессе длительного поддержания заданного уровня нагрузки. В качестве объектов исследования выступали цилиндрические образцы диаметром 42 мм и тол-
щиной 16 мм, изготовленные из эпоксидной смолы, в центральной части которых размещалось прямоугольное упругое включение размером 10 мм на 10 мм и толщиной 50 мкм. Упругие включения изготавливались из полиэтилена (Е = 0,012 ГПа), мусковита (Е = 79 ГПа), стали (Е = 210 ГПа) [4-7]. Кроме того, образцы изготавливались со сквозным отверстием такого же размера, как и упругие включения. Все образцы подвергались одноосному диаметральному нагружению ст вдоль направления расположения упругого включения с использованием стальных пуансонов, повторяющих геометрию образца. Параллельно с нагружением велась регистрация таких параметров, как активность N и сумма импульсов N акустической эмиссии. Пример полученных зависимостей N(<3) представлен на рис. 1.
Из рис. 1 видно, что нагружение образцов с упругими включениями из материалов, модуль упругости которых превышает модуль упругости вмещающей матрицы (для эпоксидной смолы Е = 30 ГПа), сопровождается активным образованием структурных дефектов и, как следствие, ростом числа зарегистрированных импульсов АЭ. С другой стороны при использовании в качестве включений материалов с модулем упругости ниже
модуля упругости матрицы, а также в случае сквозного отверстия в виде щели, акустическая эмиссия не регистрировалась вплоть до моментального хрупкого разрушения образца. Таким образом, можно утверждать, что механизм возникновения АЭ при
деформации дисперснонаполненных композитов на основе эпоксидных смол отличается от механизма возникновения АЭ при деформации горных пород, в которых трещины и поры, заполненные различными веществами, являются достаточными концентрато-
Рис. 2. Проявление активности АЭ при угле между упругим включением и направлением приложения нагрузки равном 0° (а), 90° (б) и 45° (в) для образца с упругим включением из мусковита
рами напряжений для возникновения дефектов и устойчивого трещино-образования. В отличие от горных пород, исследуемым композиционным материалам свойственно не последовательное развитие трещин, а скорее лавинообразное разрушение при достижении сжимающим нагружением предела прочности. С целью провокации активного последовательного тре-щинообразования, чувствительного к небольшим изменениям напряженного состояния, в образце следует использовать в качестве наполнителя материалы, модуль упругости которых превосходит модуль упругости матрицы.
Вторая часть исследований была посвящена нахождению зависимости характера проявления акустической эмиссии от угла между упругим включением и направлением нагружения. В рамках исследований образцы, аналогичные исследованным в первой части работы, с упругими включениями из стали и мусковита подвергались двухцикловому нагружению до уровня ст1 и ст2 соответственно, причем ст2 > ст1. Пример зависимостей Й(а) для образца с упругим включением из мусковита представлен на рис. 2. Условно процесс нагружения можно разделить на 4 стадии: линейное нагружение до ст1 (I), поддержание нагрузки (II), снижение нагрузки до нуля (III), повторное нагружение до ст2 (IV). Аналогичной схеме нагружения подвергались образцы со стальным включением.
Из рис. 2 видно, что для вертикального упругого включения характерна высокая степень дефектообразования на I стадии (рис. 2, а), при этом дальнейший рост дефектов продолжается только на IV стадии при достижении нагрузкой ранее достигнутого максимума ст1. Такой всплеск активности АЭ свидетельствует о проявлении АЭЭП в исследуемом образце.
В случае горизонтального расположения упругого включения на
I стадии не происходит заметного развития дефектов, что, очевидно, связано с отсутствием концентраторов напряжений в виде вершин трещин. С другой стороны наблюдается высокая активность акустической эмиссии на III стадии. Вероятнее всего такая особенность связана со слоистой структурой упругого включения из мусковита. В этом случае при снижении нагрузки начинают нарушаться связи между слоями слюды, что и провоцирует рост активности АЭ. В пользу этого предположения говорит и то, что в аналогичной ситуации при исследовании образцов со стальным включением таких особенностей не наблюдалось. Следует также обратить внимание, что АЭЭП на IV стадии практически не проявляется.
В случае наклонного расположения упругого включения высокая активность АЭ проявляется на I и III стадиях. При этом при исследовании образцов со стальным включением активность АЭ на III стадии практически не наблюдается. Также и АЭЭП на IV стадии полностью отсутствует.
Выявленные закономерности проявления АЭ позволяют с высокой степенью достоверности по характеру активности АЭ определить направление расположения упругих включений в композиционных материалах с матрицей на основе эпоксидной смолы. Данное свойство может лечь в основу метода определения направления максимального главного напряжения, действующего в породном массиве.
Суть метода сводится к следующему. На исследуемом участке массива вблизи ведения горных работ в направлении одного из главных напряжений бурится измерительный шпур. На заданной глубине в нем располагают и жестко закрепляют серию цилиндрических образцов из дис-перснонаполненных анизотропных композиционных материалов, снаб-
женных пьезоэлектрическими преобразователями, подключенными к многоканальному комплексу регистрации параметров АЭ. При этом при ориентации каждого последующего образца направление анизотропии должно отличаться от предыдущего образца на некоторый фиксированный угол. Под влиянием естественных и техногенных факторов в зоне контроля происходит перераспределение напряжений. В направлении максимального приращения напряжений будет наблюдаться максимальный рост ак-
1. Лавров А.В., Шкуратник В.Л., Филимонов Ю.Л. Акустоэмисионный эффект памяти в горных породах. - М.: Издательство МГГУ, 2004. - 450 с.
2. Шкуратник В.Л., Николенко П.В. Об использовании эффекта Кайзера в эпоксидной смоле с кварцевым наполнителем для оценки напряжений в массиве горных пород // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2012. - Отдельный выпуск 1. - С. 97-104.
3. Николенко П.В., Цариков А.Ю. Лабораторный стенд для механических и аку-стико-эмиссионных испытаний образцов композиционных материалов // Горный ин-
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ
тивности АЭ в образце, направление анизотропии которого совпадает с направлением приращения напряжений. Од-новременно с этим в образце, направление анизотропии которого составляет угол 90° с направлением приращения напряжений, не будет наблюдаться акустическая эмиссия. Таким образом, по характеру зарегистрированной активности АЭ в образцах композиционных материалов оказывается возможным определение направления максимального главного напряжения, действующего в массиве.
_ СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
формационно-аналитический бюллетень. -2013. - № 4. - С. 273-278.
4. Ли Г., Невилл К. Справочное руководство по эпоксидным смолам, пер. с англ. -М., 1973.
5. Розенберг Б.А. // Журнал Всесоюзного химического общества им. Д.И. Менделеева. - 1989. - т. 34. - № 5. - С. 453-459.
6. Ероху resins: chemistry and technology, ed. by C. A. May, 2 ed., N.Y. - Basel, 1988.
7. Бабичев А.П., Бабушкина Н.А., Брат-ковский А.М. и др. Физические величины: Справочник / Под. ред. И. С. Григорьева, Е.З. Мейлихова. - М.: Энергоатомиздат, 1991. - 1232 с. ЕШ
Николенко Петр Владимирович - кандидат технических наук, старший преподаватель,
Буянова Д.С. - аспирант,
Цариков А.Ю. - студент,
Кормнов А.А. - студент,
МГИ НИТУ «МИСиС», e-mail: ftkp@mail.ru.
UDC 622.02:539.2
STRESS-STRAIN CONTROL IN ROCK MASS USING ACOUSTIC EMISSION EFFECTS IN ANISOTROPIC COMPOSITE MATERIALS WITH ARTIFICIAL INDUCED DEFECTIVE
Nikolenko P.V., Candidate of Engineering Sciences, Senior Lecturer, Buyanova D.S., Tsarikov A.Yu., Kormnov A.A.
Moscow Mining Institute, National University of Science and Technology «MISiS», e-mail: ftkp@mail.ru.
Relationship between the manifestation of acoustic emission and elastic modulus of a single inclusion in samples of anisotropic composite materials based on epoxy resin is experimentally established. Typical features of the manifestation of acoustic emission as a function of the angle between the elastic inclusion and the direction of load application are shown. A new method for determining the direction of maximum principal stress in the rock mass is proposed.
Key words: acoustic emission, composite material, anisotropy, control, stress-strain state, rock mass.
REFERENCES
1. Lavrov A.V., Shkuratnik V.L., Filimonov Yu.L. Akustoemisionnyi effekt pamyati v gornykh porodakh (Customising memory effect in rocks), Moscow, Izdatel'stvo MGGU, 2004, 450 p.
2. Shkuratnik V.L., Nikolenko P.V. Gornyi informatsionno-analiticheskii byulleten', 2012, special issue 1, pp. 97-104.
3. Nikolenko P.V., Tsarikov A.Yu. Gornyi informatsionno-analiticheskii byulleten', 2013, no 4, pp. 273278.
4. Li G., Nevill K. Spravochnoe rukovodstvo po epoksidnym smolam, per. s angl. (Reference guide epoxy resins, English-Russian translation), Moscow, 1973.
5. Rozenberg B.A. Zhurnal Vsesoyuznogo khimicheskogo obshchestva im. D.I. Mendeleeva, 1989, vol. 34, no 5, pp. 453-459.
6. Ероху resins: chemistry and technology, ed. by C. A. May, 2 ed., N.Y. - Basel, 1988.
7. Babichev A.P., Babushkina N.A., Bratkovskii A.M. Fizicheskie velichiny: Spravochnik, pod. red. I.S. Grigor'eva, E.Z. Meilikhova (Physical quantities: Reference book, Grigor'ev I.S., Meilikhov E.Z. (Eds.)), Moscow, Energoatomizdat, 1991, 1232 p.
A
ИНФОРМАЦИОННЫЕ ЗАРИСОВКИ.
Шахтерская лампа. История
В Германии чаще других употребляется лампа фирмы Вольф в Цвиккау; она снабжена затвором, который открывается только с помощью тяжелого магнита, весом свыше 10 кг. Шахтерская лампа Вольфа нашла широкое распространение в России. Лампу Вольфа шахтеры окрестили «Благодетельница». Она спасла тысячи жизней. Весила такая лампа 1 кг, в 1914 году стоила 2,5 рубля. Расходовала лампа 0,17 фунта бензина в смену. Цена пуда бензина тогда была 0,6-1,8 рубля.
Лампа Вольфа послужила прототипом предохранительной бензиновой лампы «Свет шахтера», применявшейся у нас для замера концентраций метана вплоть до 60-х годов XIX века. Кроме своего прямого назначения - освещать подземное пространство, предохранительные лампы служили еще и для определения присутствия рудничного газа. С этой целью уменьшают пламя лампы настолько, чтобы оставался едва заметный огонек. Затем лампу осторожно подносят к кровле выработки, где обыкновенно прежде всего скапливается газ, благодаря своему легкому удельному весу; если газ имеется, то вокруг пламени образуется удлиненное голубоватое сияние, называемое ореолом. Для определения весьма незначительного количества газа служила лампа системы Пилера, устроенная по типу лампы Дэви. Пламя этой лампы показывает ореол даже при содержании газа в воздухе. Со временем предохранительные лампы совершенствовались, но все еще оставались неудобными, маломощными.
Источник: http://www.rosugol.ru/museum/lamp.php http://eng.polymus.ru/rv/?s=44&d_id=894
Российский вариант Лампы Вольфа до 70-х годов XIX века
