CC BY
23
© Д.А. Нарышкин, В.А. Вознесенский, 2010
УДК 622.831
Д.А. Нарышкин, В.А. Вознесенский
ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ СИСТЕМ ДЛЯ ИСПЫТАНИЯ ОБРАЗЦОВ ГОРНЫХ ПОРОД С АКУСТИКОЭМИССИОННЫМИ ИЗМЕРЕНИЯМИ
Рассмотрены различные структуры информационно-измерительных систем, применяемых для регистрации данных при испытаниях образцов горных пород в лабораторных условиях, показана целесообразность построения таких систем на платформе одного персонального компьютера. Предложена структура измерительной системы с перекрестным управлением данными между отдельными измерительными каналами. Ключевые слова: принципы построения, акустико-эмиссионные, измерительные системы, испытания, образцы, горные породы.
Семинар № 3
Лабораторные испытания образцов горных пород являются сегодня одними из основных источников численных данных, используемых при расчетах и проектировании подземных и наземных сооружений, создаваемых в условиях, как благоприятных, так и неблагоприятных для их строительства. Основными видами таких испытаний являются определение пределов прочности <у1 при одноосном сжатии (и3 = 0), при объемном сжатии (^3 ^ 0), при одноосном растяжении, при сдвиге со сжатием, а также определение деформационных характеристик, таких, как модуль деформаций Ед, модуль упругости Еу, коэффициент поперечных деформаций
V , коэффициент Пуассона ц. Кроме
_да
того, определяются напряжения а и
деформации є°°, соответствующие пределу длительной прочности. Эти величины определяются при максимальном значении объемной деформации єу, соответствующем максимальному уплотнению горной породы. По значениям предела прочности при одноосном и
объемном сжатии строится паспорт прочности, представляющий собой на ограниченном участке зависимость, выражаемую известным выражением Т = С0 + tgр0 • и , где т , и - предел прочности на сдвиг и сжатие , С0 - сцепление (предельное сопротивление срезу) при отсутствии нормальных напряжений, <р0 - угол внутреннего трения.
Такие испытания предусматривают нагружение образца горных пород и регистрацию ряда информативных параметров, характеризующих его напряженно-деформированное состояние. По полученным данным рассчитываются и строятся графики зависимостей измеряемых величин от времени или от других параметров. При этом интерес часто представляют не только величины, измеряемые непосредственно в ходе испытаний (прямые измерения), но и определяемые косвенным путем, т. е. не основе нескольких первичных параметров.
1. Требования к системам и варианты их построения
Рис. 1. Зависимость объемной деформации £у от осевого напряжения образца И1, а также напряжения И™ и деформации 8™ на пределе длительной прочности
Современные информационно-
измерительные системы позволяют производить сложные операции и определять необходимые параметры с помощью различных математических вычислений и преобразований. Так, например, на рис. 1 представлен график зависимости объемной деформации еу от осевого напряжения образца и1, построенный путем усреднения экспериментальных точек, а также напряжения и“ и дефор-
_ да
мации £у на пределе длительной прочности. Результаты получены для образца угля Восточного Донбасса. При этом объемная деформация £у вычисляется через продольные 8 и поперечные 83 деформации образца. Построение такого графика и определение параметров прочности производится с использованием трех величин (осевые напряжения, продольная и поперечная относитель-
ные деформации), каждая их которых измеряется с определенными ошибками. Суммарная погрешность величин, определяемым косвенным образом, может быть значительно больше, чем каждая из исходных. Уменьшить их, можно, применяя более совершенные технические средства измерения.
Однако, существуют погрешности, которые не могут быть уменьшены даже при применении самых совершенных измерительных средств. Такие погрешности связаны с особенностью изучаемых объектов - горных пород. Их причиной являются:
• неоднородность строения пород;
• слоистость;
• анизотропия;
• неравномерность распределения напряжений по объему образца при нагружении;
Рис. 2. Схематическое изображение многоканальной системы, осуществляющей регистрацию как механических, так и акустоэмиссионных параметров (пояснения в тексте): 1 - образец горной породы, 2 - пластины пресса, 3 - преобразователь давления на образец, 4, 5 -преобразователи поперечных и продольных деформаций соответственно, 6 - преобразователь акустической эмиссии, 7 - тензометрическая аппаратура, 8 - аппаратура акустической эмиссии (АЭ), регистрирующая, в частности активность акустической эмиссии (ААЭ)
• дефекты структуры (трещины, пустоты, блочность);
• локальные возмущения при деформировании.
Например, опоры преобразователей перемещения могут оказаться в месте локальных сколов в образце, что внесет существенные искажения в измерения. Кроме того, здесь могут присутствовать также и другие источники, связанные с химическими, физическими и биологическими процесс-сами при деформировании.
Повышение сложности возводимых объектов, увеличение этажности зданий, вызывающее возрастание нагрузок на фундаменты, предъявляют особые тре-
бования к точности расчетов и к точности результатов испытаний, закладываемых в них. Снижение погрешностей можно достичь увеличением количества измеряемых параметров, что с информационной точки зрения представляет собой увеличение количества получаемой информации. Но здесь есть и физические предпосылки. Целесообразно применение таких методов, которые позволяют осуществить регистрацию показаний из всего объема образца и таким образом осуществлять оценку по усредненным данным, повышая тем самым точность измерений.
К ним относится метод акустической эмиссии (АЭ), одна из возможных схем реализации которого представлена на рис. 2. Стрелками отражен тот факт, что преобразователь 6 воспринимает информацию из значительного объема, отражая процессы не в локальных точках, а в образце в целом. Особенностью такой системы является раздельная, не синхронизированная регистрация механических и акустоэмиссионных параметров.
Такие системы применяются достаточно давно. Они строятся, как правило, на основе отдельных измерительных систем, изначально не предназначенных для работы друг с другом, поскольку аппаратура для регистрации показаний при испытании образцов горных пород не применяется в массовых количествах, и такие системы разрабатываются и изготавливаются в единичных экземплярах. Сопоставление между собой раз-
личных измеряемых параметров осуществляется путем их совмещения по времени. Однако такое совмещение часто оказывалось затруднительным, в особенности, когда отдельные регистрирующие системы работают каждая со своим компьютером, на которых производится регистрация показаний. Это приводит к погрешности, резко снижающей эффективность таких систем.
Поэтому одним из основных требований является синхронизация записи показаний во времени, что затруднительно при регистрации на нескольких компьютерах. Другое требование - оптимизация (минимизация) стоимости и сложности. Эти причины обуславливают разрабатывать такие системы, которые позволили бы осуществлять необходимую регистрацию на одном компьютере.
При упрощенной регистрации акусто-эмиссионных параметров, таких, как, например, только широко используемая ААЭ NЕ или скорость счета N, решение такой задачи возможно относительно простыми средствами.
Примером может служить система «Прочность», разработанная совместно МГГУ и ООО «Подземгазпром» [1, 2]. Она объединяла в себе две отдельные измерительные системы - для деформационных измерений СИИТ-2 и акусто-эмиссионную систему АФ-15 (АРГУС-7). Даже с использованием относительно медленного компьютера «Электроника-60», применяемого для задания режимов, опроса датчиков и регистрации показаний, эта система позволяла помимо деформаций регистрировать ААЭ в диапазоне от 0 до 800-1000 имп./с, что вполне достаточно для испытания образцов горных пород.
При расширенном количестве измеряемых акустоэмиссионных параметров, что характерно для современных ин-формационно-измеритель-ных систем, приборы для регистрации АЭ уже достаточно сложные и специализированные, с параллельной обработкой сигнальными процессорами в каналах АЭ. Они, как правило, с точки зрения своей структуры, замкнутые. Поэтому подключение дополнительных четырехвосьми каналов, необходимых для механических измерений при испытании образцов пород, как правило, затруднительно, либо требует значительных затрат по переделке программного обеспечения.
В этом случае как один из вариантов рассматривается установка дополнительных измерительных модулей в тот же самый компьютер и запуск параллельно работающего программного обеспечения. Такой принцип построения системы возможен в системах с разделением времени, тем более что для деформационных измерений преобразователи деформаций и нагрузок достаточно опрашивать относительно редко - не чаще, чем 1 раз в секунду.
Функциональная схема такой системы приведена на рис. 3. Ее отличие от предыдущей системы, изображенной на рис. 2, в том, что АЭ-под-система и подсистема измерения механических параметров (тензоканалы) размещены в одном блоке персонального компьютера.
При испытаниях образцов пород на одном компьютере одновременно запускаются две программы - одна для регистрации параметров и полных сигналов АЭ и вторая - для регистрации механических параметров.
Пли
АЭ-преобразователь
Преобразователь е3
Преобразователь е1
АЭ-преобразователь
Плита пресса
Р
Р
Рис. 3. Схема информационно-измерительной системы с размещением подсистем АЭ и тен-зоканалов в одном блоке персонального компьютера
Для синхронизации начало измерений второй программы инициируется первой записью данных АЭ. Кроме того, показания времени, записываемые в файлы обеих систем, берутся из системного времени компьютера, что обуславливает высокую точность синхронизации. Даже при сбое часов относительно абсолютного времени, текущее время эксперимента, отсчитываемое от его начала, остается неизменным для обеих подсистем.
Такое построение информационноизмерительной системы дает возможность производить комплексные оценки параметров горных пород и снижать погрешности измерений.
2. Примеры определения свойств горных пород по совместным деформационным и акустоэмиссионным измерениям
Рассмотрим в качестве примера определение напряжений и деформаций на пределе длительной прочности, которые отсчитываются в точке деформационной
кривой, соответствующей состоянию максимального уплотнения. На рис. 4 представлены зависимости, характеризующие суть оценки состояния образца породы по результатам измерения ААЭ. При увеличении нагрузки в образце будут присутствовать два процесса возникновения акустической эмиссии, один из которых связан с осевыми деформациями, а другой - с поперечными. Регистрируемая АЭ будет определяться суммой этих двух процессов. В процессе увеличения нагрузки составляющая ААЭ, связанная с осевым деформированием, будет уменьшаться, поскольку основные источники возникновения АЭ здесь это закрытие и перемещение берегов существовавших ранее трещин. ААЭ, связанная с поперечными деформациями, будет возрастать, поскольку поперечные деформации формируются, в основном, вновь образующимися трещинами, число которых с увеличением нагрузки будет также возрастать. ААЭ,
Рис. 4. Обобщенные зависимости изменения от времени: осевой нагрузки или деформации 1; ААЭ, определяемой продольной 2 и поперечной 3 деформациями; кривая ААЭ, характеризующая суммарное действие обоих видов деформации 4
регистрируемая в образце, равна сумме этих двух составляющих. В зависимости от их соотношения, в процессе испытания может наблюдаться минимум, который соответствует состоянию максимального уплотнения горной породы, т. е. максимуму объемной деформации, отмеченному на рис. 1 стрелкой. Поэтому регистрация ААЭ позволит более точно определить состояние максимального уплотнения и соответствующие ему напряжения и деформации.
Аналогичный результат может быть достигнут и при ступенчатом нагружении образца. На рис. 5 показано изменение ААЭ на одной из ступеней нагружения образца угля Восточного Донбасса. На каждой ступени ААЭ аппроксимируется зависимостью
N Е = а0 + а1 ехр
V а2 у
где параметр а2 характеризует время затухания ААЭ до установившегося уровня и определяется состоянием горной породы, при этом коэффициент детерминации И2=66,6%. При состоянии максимального уплотнения величина а2 достигает минимума, как это показано на рис. 6. При этом ступени нагружения, на которой достигается состояние максимального уплотнения, различны.
При определении по объемным деформациям это десятая ступень, а по коэффициенту а2 - девятая. Погрешность определения напряжений на пределе длительной проч-ности составляет 10%, что в некоторых случаях может оказаться существенным.
В данном примере удается определить состояние максимального уплотнения только по ААЭ. Однако не всегда это бывает возможным.
На рис. 7 представлены зависимости ААЭ и объемной деформации от времени при деформировании образца угля Восточного Донбасса.
Если ориентироваться только на график ААЭ, то ее увеличение в моменты I = 300 с и в промежутке I = 450...500 с может быть принято как начало выхода из состояния максимального уплотнения, по которому определяются напряжения и деформации на пределе длительной прочности, хотя это увеличение связано с локальным образованием трещин в объеме образца и не может быть взято в рассмотрение.
N ,имп./ с
t, с
«2, с
Номер ступени
Рис. 5 Зависимость ААЭ от времени на одной из ступеней Рис. 6 Зависимость времени затухания (коэффициент а2) ААЭ
нагружения от номера ступени нагружения
N* , имп./с
20
15
10
а)
I 1
ш ли ДМДГ 1Ш| Ядгаиип а 1ли и ШбШ ,1|»Ц ШШШШжД ШПг ШГи и™
200
400
600
800
1000
с
Рис. 7. Изменение ААЭ (а) и объемной деформации (б) при деформировании образца угля Восточного Донбасса
5
0
0
Каналы регистрации деформаций
Блок вычисления деформационных характеристик
Каналы регистрации Блок вычисления Ключевая
AЭ —► характеристик AЭ —► схема
Рис. 8. Схема алгоритма определения параметров горных пород во время совместных АЭ и деформационных измерений
Кроме того для одних типов пород более точные результаты дают деформационные, а для других - акусто-эмиссионные измерения.
Поэтому может быть предложен алгоритм работы системы, представленный на рис. 8. В этой схеме результаты деформационных измерений управляют результатами акустоэмиссионных и наоборот. Построение измерительных систем по такому принципу может дать существенное повышение точности определения параметров горных пород.
Выводы
1. Проанализированы различные структуры информационно-измерительных систем, применяемых для регистрации данных при испытаниях образцов горных пород в лабораторных условиях, показана целесообразность построения таких систем на платформе одного персонального компьютера.
2. Предложена структура измерительной системы с перекрестным управлением данными между отдельными измерительными каналами.
Работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований, грант 06-05-08020.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Акустическая эмиссия в каменной соли на стадиях затухающей и установившейся ползучести / А. С. Вознесенский, Е. С. Оксенкруг, М. Н. Тавостин, В. А. Вознесенский и др.// Труды 5 сессии РАО «Проблемы геоакустики.
Методы и средства». Отв. ред. В. С. Ямщиков. М.: 1996, с. 177-180.
2. Вознесенский А.С., Тавостин М.Н. Акустическая эмиссия угля в состоянии запредельного деформирования // ФТПРПИ, 2005, №4, с. 3-10. ЕШ
— Коротко об авторах ---------------------------------------------------------------
Нарышкин Д.А. - аспирант кафедры «Физико-технический контроль процессов горного производства», e-mail: ftkp@mail.ru, Московский государственный горный университет, Moscow State Mining University, Russia,
Вознесенский В.А. - Российский научный центр «Курчатовский институт», ведущий инженер, e-mail: vovic@smtp.ru;
