CC BY
21
© Е.А Новиков, Л.В. Цыдендоржиева, 2011
УДК 622.02:531
Е.А. Новиков, Л.В. Цыдендоржиева
УСТАНОВКА ДЛЯ ОЦЕНКИ НАРУШЕННОСТИ ГЕОМАТЕРИАЛА С ПОМОЩЬЮ РЕГИСТРАЦИИ ИХ ТЕРМОАКУСТИЧЕСКОЙ ЭМИССИИ
Дано описание разработанной авторами установки, позволяющей производить оценку нарушенности исследуемого геоматериала путем регистрации и анализа его акустической эмиссии при нагреве и длительной выдержке на любой температуре в интервале от +20 оС до +250 оС.
Ключевые слова: акустическая эмиссия, нагрев, геоматериал, оценка нарушенности.
ЖЭоздействие полей различной фи-
А#зической природы на геоматериал приводит к возникновению в нем разномасштабной нарушенности. Проявления и развития указанного явления может быть связана со структурными, текстурными и физико-химическими преобразованиями, протекающими в геосреде. Результатом этих преобразований является изменение прочностных, упругих и других свойств горных пород, что необходимо учитывать при решении задач обеспечения эффективности и безопасности соответствующих геотехнологий.
В настоящее время необходимую информацию о нарушенности горных пород (особенно мелкомасштабной), получают в основном методами микроскопии на шлифах или рентгенографии. Эти методы характеризуются высокой чувствительностью и разрешающей способностью. В то же время они не лишены недостатков. Так оптический метод с использованием микроскопии характеризуется высокой трудоемкостью проведения измерений, весьма высокими требованиями к качеству образцов, невозможностью уверенного выявления дефектов структуры с линейными раз-
мерами менее 5 мкм [1]. Кроме того он позволяет получать искомую информацию только с поверхности образца. Рентгенографический метод позволят выявлять более мелкие дефекты (от 0,02 мкм), однако его применение сопряжено со значительными материальными затратами, трудоемкостью и повышенным риском здоровью оператора [2].
Предлагаемая в настоящей работе установка позволяет давать интегральную оценку как поверхностной, так и внутренней структурной нарушенности образца. Причем, вклад в такую оценку будут давать, как относительно крупные дефекты, так и сопоставимые по размерами с дислокациями. Кроме того, работа с предлагаемой установкой, которая реализует термоакустоэмиссионные измерения [3] и является конструктивно относительно простой, безопасна для персонала.
Отдельно отметим, что на предлагаемой к рассмотрению установке возможно единовременно испытывать сразу несколько образцов при отсутствии потери качества отдельного измерения.
Блок-схема описываемой установки представлена на рисунке.
Блок-схема установки для проведения термоакустоэмиссионных измерений направленных на оценку нарушенности образцов геоматериала
Основным элементом установки является жидкостный термостат 1 (показан разрез нагревательной полости 2 этого термостата). Термостат позволяет производить нагрев геоматериала от комнатной температуры до 250 оС, в качестве теплопередающей жидкости 3 могут быть использованы любые вещества, сохраняющие текучесть при заданной температуре и не имеющие опасности воспламенения при этой температуре (например, дистиллированная вода или силиконовое масло и др.). Помимо этого, имеется возможность выдержки образцов на любой доступной, в рабочих пределах, температуре в течение длительного периода времени (более 6 часов) с точностью ±0,5 градуса. Контроль соответствия температуры нагревательной камеры термостата температуре, заданной оператором, производится с по-
мощью термометра ртутного стеклянного 4, поверенного в соответствии ГОСТ 29224-91 (ИСО 386-77).
В случае недостаточного количества жидкости в нагревательной полости термостата или перегрева мотора происходит автоматическое отключение нагревательного органа, и воспроизводится соответствующее контрольное уведомление, указывающее о причинах отключения, что уменьшает вероятность выхода из строя оборудования и позволяет оператору быстро выявить и устранить неисправность.
В ходе апробации описываемой установки на образцах гранита, мрамора и известняка, взятых с различных месторождений показана высокая сходимость получаемых при многократных измерениях результатов, а также качественная сходимость с результатами оценки на-
рушенности методами микроскопии и рентгенографии.
Измерения на предлагаемой установке не требуют трудоемкой и высокоточной подготовки образцов. Проводимая подготовка сводится к обработке только одной поверхности исследуемого геоматериала, с которой контактирует кварцевый цилиндрический волновод диаметром 10 мм. Допустимые максимальные размеры образцов: длина и высота до 35 мм, ширина до 25 мм. Ограничением при изготовлении образцов является исключение при шлифовке любого рода жидкостей, для недопущения попадания последней в поры.
Изучаемый образец 5 помещают в стакан 6 выполненный из сплава на основе латуни ЛС-59, далее производится его фиксация путем прижима подвижным цилиндрическим стержнем 7 из кварцевого стекла. Постоянство контактных условий стержня с образцом достигается путем применения пригруза 8 с контролируемой массой. Упомянутый кварцевый стержень используется в качестве волновода, по которому происходит передача сигналов акустической эмиссии (АЭ) от образца к преобразователю 9 АЭ и далее на регистрирующее устройство, в роли которого используется акустоэмиссионная измерительная система 10 A-Line 32 D производства фирмы ООО «Интерю-нис», г. Москва.
Мониторинг динамики температуры непосредственно в области нагрева образца осуществляется с помощью термопар 11, 12, информация с которых также записывается системой A-Line 32 D на встроенный жесткий диск или иной тип постоянного носителя информации. Необходимость использования двух термопар связана с целесообразностью создания резервного канала получения термометрической информации и изме-
рения градиента температур в полости стакана 6. Надлежащая фиксация термопар и волновода, а также герметизация области нагрева образца от притока кислорода из атмосферы осуществляется посредством пробки 13 из фторопласта марки ФТ-4. Отметим, что данная установка может быть достаточно легко приспособлена для проведения измерений в инертной среде и при заданном давлении.
Во время работы термостата создаются неизбежные акустические шумы и вибрация от работающего мотора, которые являются существенной помехой для измеряемого акусто-эмиссионного сигнала. При этом применение разного рода фильтров не смогло снизить воздействие этого по-мехового фактора до приемлемого уровня. С целью решения задачи выделения именно полезного сигнала в установку был добавлен дополнительный стакан 14 по исполнению аналогичный стакану 6. Стакан 14 не предназначен для помещения в него какого-либо образца, кроме уже имеющейся в нем имитации 15, выполненной из пластика, не подверженного термическому разрушению при температуре нагрева до +250 оС включительно. Таким образом, во время эксперимента он не является источником сигналов термоакустической эмиссии (ТАЭ).
В ходе работы установки преобразователь АЭ 9 фиксирует полезный сигнал и помехи, а преобразователь АЭ 16 -только помехи. Оба стакана (6 и 14) находятся на равном расстоянии от источника помех, и степень ослабления помех на их пути до волноводов 7 и 17 примерно одинакова. Благодаря этому в обоих измерительных каналах помехи регистрируются одинаково, что позволяет их исключить путем взаимного вычитания.
Отметим, что разработанная ранее установка [4] для термоакустоэмисси-онных измерений на образцах горных пород, на основе трубчатой печи типа ШЬегШегш RT 50/250/11 с контроллером типа Р 320, по сравнению с предла-
1. Соколов В.Н. Количественный анализ микроструктуры горных пород по их изображениям в растровом электронном микроскопе // Соросовский образовательный журнал, 1997, №8, С. 72-78.
2. Уманский Я.С., Скаков Ю.А., Иванов А.Н., Расторгуев Л.Н. Кристаллография, рентгенография и электронная микроскопия. М.: Металлургия, 1982, 632 с.
3. Лавров В.В., Шкуратник В.Л. Аку-
гаемой отличается трудностью обеспечения надежных контактных условий между волноводом и образцом и не позволяет проводить измерения в инертных средах.
--------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
стическая эмиссия при деформировании и разрушении горных пород обзор (обзор) // Акустический журнал, 2005, том 51, Приложение. - С. 6-18.
4. Вознесенский А.С., Шкуратник В.Л., Вильямов С.В., Винников В.А. Установка для акустоэмиссионных исследований горных пород при их нагревании//Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2007. - №12. -С. 143-150. ЕШ
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -------------
Новиков Евгений Александрович - студент, Цыдендоржиева Любовь Валерьевна -Московский государственный горный университет, Moscow State Mining University, Russia, [email protected]
A
----------------------------------- ДИССЕРТАЦИИ
ТЕКУЩАЯ ИНФОРМАЦИЯ О ЗАЩИТАХ ДИССЕРТАЦИЙ ПО ГОРНОМУ ДЕЛУ И СМЕЖНЫМ ВОПРОСАМ
Автор Название работы Специальность Ученая степень
ГОУ ВПО «ТИХООКЕАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»
ЛЕЩИНСКИЙ Александр Валентинович Научно-техническое обоснование рациональных средств и методов разрушения скальных пород при открытых горных работах 25.00.20 д.т.н.
