CC BY
28
© В.Л. Шкуратник, П.В. Николенко, 2012
УДК 622.831.1
В.Л. Шкуратник, П.В. Николенко
ОБ ИСПОЛЬЗОВАНИИ ЭФФЕКТА КАЙЗЕРА В ЭПОКСИДНОЙ СМОЛЕ С КВАРЦЕВЫМ НАПОЛНИТЕЛЕМ ДЛЯ ОЦЕНКИ НАПРЯЖЕНИЙ В МАССИВЕ ГОРНЫХ ПОРОД
Рассмотрены особенности проявления эффекта Кайзера в эпоксидной смоле с кварцевым наполнителем в зависимости от его крупности и концентрации, длительности временного интервала между циклами нагружения, и направления приложения нагрузки. Обосновывается возмож-ность использования указанных особенностей для оценки напряженно-дефор-мированного состояния массива.
Ключевые слова: эффект Кайзера, эпоксидная смола, напряженно-деформированное состояние, акустическая эмиссия, контроль, кварцевый наполнитель.
Введение
Определение напряженно-деформированного состояния (НДС) горных пород в массиве является одной из приоритетных задач прикладной геомеханики, к решению которой привлекается широкий круг методов, различающихся как физическими принципами их реализации, так и реальными информативными возможностями. Среди этих методов в качестве наиболее перспективных можно выделить методы, основанные на применении эффекта Кайзера (ЭК). Суть 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].
Один из вариантов оценки НДС геосреды на основе ЭК в ней сводится к выбуриванию из массива породных кернов и испытанию полученных из них образцов не прессовом оборудовании с одновременной регистрацией параметров АЭ и фиксацией нагрузки, при которой наблюдается ЭК. Дальнейший переход к напряжениям в массиве осуществляется с использованием алгоритмов, за-
висящих от вида НДС in situ, подробно описанных в [2]. Преимущества контроля НДС на основе ЭК связаны прежде всего с повышением точности измерений и снижением их трудоемкости. В то же время метод имеет определенные недостатки, связанные прежде всего с неоднородностью свойств горных пород (в том числе и свойства памяти) и относительно высокой чувствительностью последних к влиянию таких помеховых факторов, как влага, температура и др. Типичным примером здесь может служить случай, когда в массиве горная порода находится в условиях трехосного осе-симметричного нагружения (I цикл нагружения). При этом ЭК во II (тестовом) цикле имеет место при напряжении, представляющем собой линейную комбинацию главных напряжений I цикла:
о1 = о 2 - (к + 1)о3 , где к зависит от коэффициента трения между берегами трещин ц [2]. В силу отмеченной выше неоднородности значение коэффициента к исследуемого геоматериала может изменяться в относительно широких пределах. Так, например, для антрацита к = 1,2 - 3,6, для каменной соли к = 0,5 - 0,7 [3]. В результате снижается точность и воспроизводимость результатов определения НДС на основе ЭК в горных породах.
С учетом изложенного актуальной является задача определения НДС на основе размещаемого в геосреде датчика из такого синтезированного материала, который с одной стороны обладал бы ЭК и был нечувствителен к помеховым факторам, а с другой -обеспечивал технологичное заполнение соответствующей измерительной скважины в исследуемом массиве. В настоящей работе рассматривается возможность использования в качестве такого материала эпоксидной смолы с отвердителем и соответствующим наполнителем.
Особенности проявления ЭК в эпоксидной смоле с кварцевым наполнителем. ЭК в эпоксидной смоле после перехода ее в твердое состояние (в результате смешивания с отвердителем) не проявляется, что проверено экспериментально и связано с отсутствием значимых дефектов структуры. В то же время при добавлении в эпоксидную смолу в качестве наполнителя кварцевого песка синтезируется материал, в котором ЭК имеет место. Песчинки кварца, имея механические свойства отличные от вмещающей среды, при деформации последней выступают в качестве концентра-
торов напряжений, уровень которых оказывается достаточным для образования дефектов, необходимых для формирования ЭК.
Для определения основных характеристик проявления ЭК в эпоксидной смоле с кварцевым наполнителем были прове-дены лабораторные эксперименты, суть и результаты которых описаны ниже.
В рамках первой серии экспериментов определялась длительность акустико-эмиссионной «памяти» в исследуемом материале. Цилиндрические образцы изготавливались из эпоксидной смолы с отвердителем и наполнителем из кварцевого песка крупностью 0.20.4 мм. После полного отвердения смолы образцы с использованием пуансонов подвергались одноосному сжатию вдоль диаметра с одновременной регистрацией различных параметров АЭ. Нагружение производилось в два цикла. Первый из них (установочный) служил для формирования «памяти» в образце, при этом длительность выдержки под нагрузкой оставалась постоянной и равной двум часам. Второй (тестовый) цикл служил для выявления эффекта Кайзера в исследуемом образце, причем максимальная нагрузка такого цикла всегда превышала максимум установочного цикла. Одновременно с нагружением проводилась регистрация таких параметров АЭ, как скорость счета N и суммарный счет N . Серия из 30 образцов была разбита на три группы по 10 образцов, причем каждой группе соответствовали следующие промежутки времени между циклами нагружения: Ati = 1 ч., At2 = 24 и At3 = 168 ч. Внутри одной серии образцов измерения были однотипными. Основным критерием оценки «качества памяти» в исследуемом материале служил параметр FR - так называемый показатель сохранности памяти, являющийся отношением напряжения, при котором наблюдается скачкообразное возрастание параметров АЭ, к максимальному ранее достигнутому напряжению [1]. При этом максимальное отклонение параметра FR от единицы не превышало 9 %.
На рис. 1 представлен пример проявления ЭК в тестовом цикле испытаний образца эпоксидной смолы (промежуток времени между циклами нагружения - 7 суток).
Из полученных экспериментальных данных следует, что в эпоксидной смоле с наполнителем из кварцевого песка наблюдается устойчивый ЭК с длительностью «памяти» не менее 7 суток.
200
150
100
50
N, ед./сек.
ЛгчУ л ] 11
2000
1500
1000
500
N, ед.
20
40
60
Р, МПа
20
40
60
Р, МПа
а
б
Рис. 1. Проявление ЭК в образце эпоксидной смолы с кварцевым наполнителем после ее отвердения на примере скорости счета АЭ (а) и суммарного счета АЭ (б), пунктиром отмечен максимум нагрузки установочного цикла
Низкая относительная погрешность воспроизведения ЭК позволит в дальнейшем обеспечить высокий уровень точности определения действующих в массиве напряжений.
Вторая серия лабораторных испытаний имела целью выявление характерных особенностей проявления ЭК в зависимости от направления приложения нагрузки. Серия из 5 цилиндрических образцов, подвергалась одноосному сжатию вдоль нанесенного на боковые поверхности образцов маркера вертикали в установочном цикле нагружения. Время выдержки под нагрузкой и ее значение оставались постоянными и равнялись 2 часам и 55 МПа соответственно. Далее образцы подвергались тестовым испытаниям, причем каждый последующий образец поворачивался в пуансонах с шагом 15° относительно вертикального маркера. Основным информативным критерием качества проявления ЭК в данном случае выступал угол а между прямыми аппроксимирующими ветви графика суммарного счета АЭ. Рис. 2 иллюстрирует такую аппроксимацию на примере образца №1 (угол между приложением нагрузки и маркером вертикали - 0°)
Из результатов, представленных в таблице, следует, возможность определения с помощью ЭК в исследуемом материале направления приложения установочной нагрузки с абсолютной погрешностью ~ 15°, что, как правило, является достаточным для практики геоконтроля.
Алгоритм определения НДС в массиве с использованием ЭК в эпоксидной смоле с кварцевым наполнителем. С учетом отмеченных выше закономерностей проявления ЭК может быть предложен следующий способ оценки НДС массива. Результаты экспериментальных исследований
N, ед.
1/
/
ы
0 20 40 60 р МПа
Рис. 2. Пример аппроксимации графика суммарного счета АЭ, пунктиром отмечен максимум нагрузки установочного цикла
№ образца Угол между направлением приложения нагрузки и вертикальной отметкой, в градусах Угол между аппроксимирующими прямыми, в градусах
1 0 105
2 15 125
3 30 140
4 45 ЭК практически не наблюдался
5 90 ЭК практически не наблюдался
В измерительной скважине на заданной глубине размещают капсулу заполненную эпоксидной смолой с отвердителем и наполнителем из кварцевого песка. Обуривают измерительную скважину и извлекают из нее керн после завершения процессов отвердения смолы и деформаций восстановления массива вокруг скважины. Извлеченный из скважины керн освобождают от оболочки и разрезают перпендикулярно его оси на п одинаковых по толщине дисков. Затем их подвергают тестовому нагружению вдоль диаметра, направление которого при переходе от диска к диску смещают на угол 180°/п, при этом в процессе нагружения регистрируют параметры АЭ в дисках. Из полученных зависимостей выделяют характерную зависимость с максимально резким возрастанием значений соответствующих параметров АЭ при достижении определенного уровня тестовой нагрузки. По этому уровню судят о максимальном напряжении, действующем в массиве в плоскости ортогональной оси измерительной скважины, а по углу между горизонтальной меткой на поверхности капсулы и направлением тестового нагружения, при котором наблюдается указанная выше характерная зависимость, судят об азимутальном угле действия указанного максимального напряжения.
На рис. 3 представлен пример исполнения скважинного устройства.
Конструктивно такая капсула представляет собой пустотелый кожух из эластичных материалов, не оказывающих значимого сопротивления деформации контура измерительный скважины. Данное условие необходимо для повышения точности измерений за счет исключения систематической погрешности, связанной с восприятием
нагрузки элементами, не относящимися
5 1 1
5 \ 2 ^ \ 6 4
мамтштшштё
Рис. 3. Общий вид скважинногоустройства: 1 - шайбы из эластичной резины; 2
- эластичный кожух; 3 - полость, заполненная эпоксидной смолой с отвердителем и наполнителем из кварцевого песка; 4 - упорная штанга; 5 - фронтальный упор; 6
- узел крепления досылочного устройства
3
к рабочему телу устройства (эпоксидной смоле с отвердителем и кварцевым наполнителем). Упорная штанга служит для фиксации наполненной эпоксидной смолой капсулы на определенном расстоянии от торца скважины, что исключает влияние торца на распределение поля напряжений в исследуемой точке.
В качестве поверхностного испытательного блока может выступать любое прессовое оборудование, обеспечивающее равномерное нагружение образцов до заданного уровня нагрузки и имеющего низкий уровень собственных механических и электрических шумов. Регистрация параметров АЭ может производиться разнообразными аку-стико-эмиссионными измерительными комплексами, обладающими возможностью регистрировать такие параметры АЭ, как скорость счета N и суммарный счет N . Также необходимо предусмотреть соответствующую синхронизацию между блоком измерения АЭ и прессовым оборудованием. Функциональная схема проведения измерений приведена на рис. 4.
Выводы
Рассмотренные выше алгоритм контроля НДС массива горных пород и его аппаратурное обеспечение являются относительно простыми.
Бурение разведочной и измерительной скважин
__
Размещение в измерительной скважине скважинного блока
1
Выбуривание скважинной капсулы
после отвердения эпоксидной смолы и завершения деформаций восстановления массива
Рис. 4. Функционалi
Их использование обеспечивает высокую точность соответствующих измерений (например, по сравнению с методами разгрузки), что связано с отсутствием необходимости определения упругих модулей горных пород в зоне контроля, а также с однородностью акустических и физико-механических свойств используемых композитных материалов.
- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Лавров А.В., Шкуратник В.Л., Филимонов Ю.Л. Акустоэмисионный эффект памяти в горных породах. - М.: Изд-во Московского государственного горного университета. 2004, 450 с.
2. LavrovA.V. Tree-dimensional simulation of memory effects in rock samples // Proc. International Symposium on Rock Stress. - Rotterdam: A.A. Balkema, 1997. -P. 197-202.
3. Шкуратник В.Л., Филимонов Ю.Л., Кучурин С.В. Акустоэмиссионный эффект памяти в образцах угля при трехосном осесимметричном сжатии // ФТПРПИ- 2006. - №3. - С. 3-10. ВШЭ
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -
i схема проведения измерений
Шкуратник В.Л. - профессор, доктор технических наук, зав. кафедрой, Николенко П.В. - аспирант, [email protected]
Московский государственный горный университет, [email protected]
