Особенности развития процессов деформирования и микросейсмической эмиссии при нагружении образцов горных пород до разрушения Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

УДК 621.3.08+622

ОСОБЕННОСТИ РАЗВИТИЯ ПРОЦЕССОВ ДЕФОРМИРОВАНИЯ И МИКРОСЕЙСМИЧЕСКОЙ ЭМИССИИ ПРИ НАГРУЖЕНИИ ОБРАЗЦОВ ГОРНЫХ ПОРОД ДО РАЗРУШЕНИЯ

Владимир Иванович Востриков

Институт горного дела им. Н. А. Чинакала СО РАН, 630091, Россия, г. Новосибирск, Красный проспект, 54, кандидат технических наук, заведующий лабораторией горной геофизики, тел. (383)217-00-01, e-mail: vvi.49@mail.ru

Ольга Михайловна Усольцева

Институт горного дела им. Н. А. Чинакала СО РАН, 630091, Россия, г. Новосибирск, Красный проспект, 54, кандидат физико-математических наук, руководитель ЦКП ГГГИ СО РАН, тел. (383)330-96-41, e-mail: usoltseva57@mail.ru

Павел Александрович Цой

Институт горного дела им. Н. А. Чинакала СО РАН, 630091, Россия, г. Новосибирск, Красный проспект, 54; Новосибирский государственный технический университет, 630073, Россия, г. Новосибирск, пр. К. Маркса, 20, кандидат физико-математических наук, научный сотрудник, тел. (383)330-96-41, e-mail: paveltsoy@mail.ru

Владимир Николаевич Семенов

Институт горного дела им. Н. А. Чинакала СО РАН, 630091, Россия, г. Новосибирск, Красный проспект, 54, главный специалист, тел. (383)330-96-41, e-mail: centre@misd.nsc.ru

Приводится лабораторное исследование процесса деформирования образцов искусственных слоистых геоматериалов до разрушения с одновременным измерением напряжений, деформаций и сигналов микросейсмической эмиссии. Анализ синхронизированных экспериментальных данных позволил определить особенности изменения параметров микросейсмических сигналов в зависимости от стадии процесса деформирования образцов горной породы, а также выявить динамику эволюции микроразрушений и зоны магистрального разрыва.

Ключевые слова: лабораторный эксперимент, одноосное сжатие, геоматериал, микросейсмическая эмиссия, напряжение, деформация, разрушение.

DEFORMATION PROCESSES FEATURES AND MICROSEISMIC EMISSION OF ROCK SPECIMENTS UNDER LOADINGUNTIL FAILURE

Vladimir I. Vostrikov

Chinakal Institute of Mining, Siberian Branch, Russian Academy of Sciences, 630091, Russia, Novosibirsk, 54 Krasny prospect, Candidate of Engineering Sciences, Head of Mining Geophysics Laboratory, tel. (383)217-00-01, e-mail: vvi.49@mail.ru

Ol'ga M. Usol'tseva

Chinakal Institute of Mining, Siberian Branch, Russian Academy of Sciences, 630091, Russia, Novosibirsk, 54 Krasny prospect, Candidate of Physico-Mathematical Sciences, Director of the Geomechanical, Geophysical and Geodynamic Measurement Center for Shared Use, tel. (383)330-96-41, e-mail: usoltseva57@mail.ru

Pavel A. Tsoi

Chinakal Institute of Mining, Siberian Branch, Russian Academy of Sciences, 630091, Russia, Novosibirsk, 54 Krasny prospect; Novosibirsk State Technical University, 630073, Russia, Novosibirsk, 20 Karl Marx prospect, Candidate of Physico-Mathematical Sciences, Researcher, tel. (383)330-96-41, e-mail: paveltsoy@mail.ru

Vladimir N. Semenov

Chinakal Institute of Mining, Siberian Branch, Russian Academy of Sciences, 630091, Russia, Novosibirsk, 54 Krasny prospect, Main Specialist, tel. (383)330-96-41, e-mail: centre@misd.nsc.ru

The authors describe the laboratory tests on deformation of artificial layered geomaterials to failure with concurrent measurement of stresses, strains and microseismicity emission. The analysis of the synchronized experimental data identifies peculiarities of change in parameters of microseis-mic signals depending on deformation process stages and reveals dynamics of evolution of microfractures and main fracture zone.

Key words: laboratory test, uniaxial compression, geomaterial, microseismic emission, stress, strain, fracture.

В настоящее время широко признано, что данные о напряженно-деформированном состоянии горных пород, а также их изменении в зависимости от приложенных нагрузок не являются достаточной информацией для описания процесса деформирования и разрушения. Важным параметром, характеризующим, наряду с напряженно-деформированным состоянием процесс разрушения горных пород на различных масштабных уровнях, является сейсмическая активность. Обзор литературы за последние годы показывает, что имеется ряд результатов лабораторных экспериментов на образцах горных пород при их нагру-жении с одновременными исследованиями микросейсмической эмиссии (МСЭ), которую в условиях лабораторного эксперимента можно рассматривать как аналог сейсмичности [1-5].

Целью данной работы являлось изучения взаимодействия и взаимного влияния параметров полей различной физической природы: поля напряжений, деформаций и МСЭ при нагружении образцов геоматериалов до разрушения для получения прогнозных оценок подготовки и реализации магистрального разрыва.

Испытания образцов геоматериалов проводились на измерительном стенде [6]. Программа нагружения сервогидравлического пресса Instron-8802, представляла собой одноосное сжатие до разрушения со скоростью перемещения подвижного захвата 0,1 мм/мин. В процессе нагружения производилась непрерывная запись нагрузки и перемещения подвижного захвата. Образцы представляют собой цилиндры из искусственного материала, имитирующего слоистую горную породу. Угол напластования (угол между осью цилиндра и нормалью к плоскости слоев (изотропии) составлял ¥=0°, 15°, 30°, 45°, 60°, 75°, 90°.Размеры цилиндрических образцов - длина 60 мм, диаметр 30 мм. На рис. 1 показаны фотографии испытательного образца с установленными датчиками для регистрации МСЭ (а), а также образцы с углами напластования 90° (б) и 45° (в)после разрушения.

а б в

Рис. 1. Фотографии испытательного образца № 9 (а) с установленными датчиками для регистрации МСЭ (1), а также образцов после разрушения

Далее приводится анализ результатов, полученных на образце с углом напластования 90°. На рис. 2 приведены графики "а/авр - 1:", где а - текущее напряжение, авр - предел прочности образца при одноосном сжатии, 1 - время (с). С целью более наглядного представления графики разделены по времени:

а - 0 - 350 с, б - 350 - 500 с.

Рис. 2. Зависимость "напряжение - время" для образца с углом напластования 90°:

а - время 0 - 350 сек, б - 350 - 500 сек. Цифрами 1 и 2 отмечены моменты времени, в которые зафиксированы сигналы микросейсмической эмиссии

Предел прочности образца авр=12,1 МПа. Зависимость напряжения от времени свидетельствует о многоступенчатости деформационного процесса. Выделяются три стадии процесса деформирования до предела прочности. На первой стадии деформирования (1) от начала роста нагрузки до а/авр=0,2^0,25 материал образцов уплотняется, текущие величины модулей деформации имеют заниженные значения из-за разрушения мелких неоднородностей на торцах образца, закрытия пор, микротрещин и т.п.

На рис. 3 представлен сигнал МСЭ, зарегистрированный в точке 1, рис.2а, а на рис. 4 - в точке 2, рис. 2б.

а

б

Рис. 3. Сигнал МСЭ, зарегистрированный в точке 1, рис. 2а

Рис. 4. Сигнал МСЭ, зарегистрированный в точке 2, рис. 2б

На второй стадии (2) (упругое деформирование) от значений а/авр=0,2^0,25 до а/авр=0,55^0,65 величины модулей деформации увеличиваются и стабилизируются. В это время генерируется сигнал МСЭ с размахом величины ускорения равной 7,0 м/сек2, рис. 3а, и широкополосный по частоте, рис. 3б.

Третья стадия деформирования (3) от значений а/авр=0,55^0,65 до а/авр=1 характеризуется существенным уменьшением текущих модулей деформации, в материале образца происходит перестройка структуры, возникают микродефекты. В окрестности а=авр происходит выполаживание кривой "а/авр - X" и далее - значения а уменьшаются, в образце формируется магистральная трещина.

На зависимости "напряжение - время" наблюдаются горизонтальные ступеньки, а также ступеньки с отрицательным наклоном, т.е. происходит небольшое уменьшение напряжения, несмотря на то, что нагружение представляет собой "жесткое" одноосное сжатие.В [6,7] показано, что при значениях напряжений а/авр>0,5 деформация становится существенно неоднородной, возникают зоны локализации, которые при дальнейшем повышении нагрузки до предела прочности формируют трещину магистрального разрыва в образце.

Амплитуда сигнала МСЭ существенно возрастает, рис. 4а, размах достигает значения 46,0 м/сек2. При этом частотный спектр смещается в сторону низких частот, и его полоса сужается, рис. 4б.

Работа выполнена при частичной финансовой поддержке Российского Фонда Фундаментальных Исследований (проекты № 16-05-00992 и № 15-0507566) на оборудовании ЦКП ГГГИ СО РАН.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. RizzE., HahnerP. // Int. J. Plastisity. 2004. Vol. 20. No 1.

2. Fukushima Y., Nishizawa O., Sato H., Ohtake M. Laboratory Study on Scattering Characteristics of Shear Wavesin Rock Samples // Bulletin of the Seismological Society of America, Vol. 93, No. 1, February 2003.

3. Labuz J.F., Cattaneo S., Chen L.H. Acoustic emission at failure in quasi-brittle materials // Construction and Building Materials 15 (2001).

4. Дамаскинская Е.Е., Кадомцев А.Г., Рассказов И.Ю. Выявление пространственной области будущего очага разрушения по отклонению от закона Гутенберга-Рихтера // IX Межд. Школа-семинар «Физические основы прогнозирования разрушения горных пород», Иркутск, 2-6 сентября 2013 г., тез. докл.

5. Лементуева Р.А., Бубнова Н.Я., Треусов А.В. Изучение динамики развития магистральной трещины на образцах горных пород // Межд. Школа-семинар «Физические основы прогнозирования разрушения горных пород», Иркутск, 2-6 сентября 2013 г., тез. докл.

6. Опарин В.Н., Востриков В.И., Усольцева О.М., Цой П.А., Семенов В.Н. Измерительная система и испытательный стенд для контроля эволюции акусто-деформационных и тепловых полей, индуцируемых в процессах флюидоразрушения твердых тел // ФТПРПИ. -2015. - № 3.

7. Опарин В.Н., Усольцева О.М., Цой П.А., Семенов В.Н. Об энергетическом подходе к анализу сложных деформационно-волновых процессов в геоматериалах со структурой под нагружением до разрушения // Проблемы недропользования (ISSN 2316-1586), 2014, № 3, (http://trud.igduran.ru/edition/3)

© В. И. Востриков, О. М. Усольцева, П. А. Цой, В. Н. Семенов, 2016