CC BY
12
УДК 539.3
ВЛИЯНИЕ СЖАТИЯ НА РАСПРОСТРАНЕНИЕ СЕЙСМИЧЕСКИХ ВОЛН В БЛОЧНЫХ СРЕДАХ ПРИ ИМПУЛЬСНОМ НАГРУЖЕНИИ
Анатолий Георгиевич Черников
Институт горного дела им. Н. А. Чинакала СО РАН, 630091, Россия, г. Новосибирск, Красный проспект, 54, старший научный сотрудник, тел. (383)335-96-54
Евгений Николаевич Шер
Институт горного дела им. Н. А. Чинакала СО РАН, 630091, Россия, г. Новосибирск, Красный проспект, 54, доктор физико-математических наук, главный научный сотрудник, тел. (383)335-96-54, e-mail: ensher@sibmail.ru
Согласно концепции М.А. Садовского при описании динамического деформирования породного массива необходимо учитывать его блочное строение. Проведенные ранее исследования волноводных свойств одномерных моделей блочных сред, показали, что скорости маятниковых волн, возникающих при ударном нагружении, определяются массой блоков и существенно зависят от реологических свойств прослоек. В настоящей работе приводятся результаты экспериментальных исследований влияния внешнего сжатия блочной среды на распространение маятниковых волн.
Ключевые слова: блочный массив, сейсмические волны, горное давление, физическое моделирование.
COMPRESSION EFFECT ON SEISMIC WAVE PROPAGATION IN BLOCK MEDIA UNDER PULSED LOAD
Anatoly G. Chernikov
Chinakal Institute of Mining SB RAS, 630091, Russia, Novosibirsk, 54 Krasny prospect, Senior Researcher, tel. (383)335-96-54
Evgeny N. Sher
Chinakal Institute of Mining SB RAS, 630091, Russia, Novosibirsk, 54 Krasny prospect, D. Sc., Principal Researcher, tel. (383)335-96-54, e-mail: ensher@sibmail.ru
Under M.A. Sadovsky's concept when describing dynamic deformation of a rock mass it is imperative to consider its block structure. The earlier investigations into wave-guide properties of one-dimensional block-medium models revealed that velocities of pendulum-type waves induced by percussion loading depend on a block mass and rheological interlayer properties, in particular. The present paper reports experimental data on the effect of external block compression on propagation of pendulum-type waves.
Key words: block mass, seismic waves, rock pressure, physical simulation.
Согласно концепции М.А. Садовского породный массив представляет собой систему вложенных друг в друга блоков разного масштабного уровня [1] разделенных прослойками. Часто прослойки между блоками представлены более слабыми, трещиноватыми породами. Наличие таких податливых прослоек приводит к тому, что деформирование блочного массива, как в статике, так и в динамике происходит в ос-
новном за счет деформации прослоек, что приводит к выделению в сейсмическом отклике на импульсное воздействие низкочастотных волн маятникового типа [2, 3] .
Были проведены теоретические и экспериментальные исследования волновод-ных свойств одномерных моделей блочных сред, представленных цепочкой упругих стержней, разделенных податливыми прослойками [4-6]. Показано, что для описания распространения волн в таких средах хорошим приближением является представление о движении блоков как недеформируемых тел. При этом достаточно точно описываются возникающие при импульсном воздействии низкочастотные составляющие волны. Как показали эксперименты, высокочастотные составляющие волн, определяемые собственными колебаниями блоков достаточно быстро затухают.
Сравнение данных расчетов по разработанным моделям с экспериментом показали, что скорость распространения маятниковых волн, период, степень их затухания определяются массой блоков и существенно зависят от реологических свойств прослоек, которые в свою очередь зависят от внешнего, горного давления. Наличие взаимосвязи величины горного давления и параметров сейсмических волн открывает возможность контролировать горное давление по данным сейсмического каротажа.
В настоящей работе приводятся результаты экспериментальных исследований влияния внешнего сжатия блочной среды на процесс распространения волн деформации при ударном нагружении. Аналогичное исследование было проведено ранее на примере одномерной сборки девяти силикатных кирпичей [7].
В данной работе в качестве модели блочной среды была использована вертикально расположенная одномерная сборка девяти блоков с размерами 88х125х250 мм, изготовленных из оргстекла и размещенных в гидравлическом прессе. В сборке блоки располагались крест на крест. На семи блоках (1-7-мом) были установлены акселерометры КБ91. Вся сборка приводилась в сжатое состояние при помощи гидравлического пресса, что создавало в сборке сжатие до 60 кН, или 2000 кПа из расчета на площадь большой грани блока. На верхний блок усилие передавалось через муфту, внутри которой располагался ударник, с закрепленным на нем акселерометром 8309 фирмы Вгае1 & К)жг для фиксирования интенсивности удара. Все акселерометры были подключены через усилители заряда 2635 фирмы Вгае1 & К)жг к АЦП Е-1440 и далее к компьютеру, на котором производилась запись сигнала и хранение данных.
Моделирование действия ослабленных контактов между блоками породного массива проводилось введением прослоек из одного и трех слоев вакуумной резины площадью 125*125 мм и толщиной 1мм. Пример записи ускорений блоков № 1, 4, 7 в сборке без прослоек приведен на рис. 1.
Характерным для движения блоков вблизи точки приложения импульсного нагружения является возбуждение их собственных колебаний. По мере распространения волны возмущения по сборке такие колебания затухают и тем быстрее, чем больше их частота. Дальность распространения высокочастотных колебаний увеличивается с ростом сжатия сборки. Вдали от точки удара в колебаниях блоков выявляется низкочастотная волна маятникового типа, определяемая их взаимодействием через податливые прослойки.
В результате обработки осциллограмм ускорений блоков определялись скорости распространения волн вдоль сборки. Скорость распространения сигнала в эксперименте определялись по моментам его вступления. Скорость низкочастотной маятниковой волны определялась по моментам достижения максимального значения первого пика ускорения. Такая обработка проводилась после фильтрации низких частот сиг-
нала с пороговой частотой 2.6 кГц. Это делалось для того, чтобы отделить высокочастотную часть сигнала, порождаемую возбуждением собственных колебаний блоков.
Рис. 1. Осциллограммы ускорений колебаний 1,4,7-го блоков в сборке, сжатой давлением 10 кПа (слева) и 1000 кПа при ударном нагружении
т-1 1 " " ^ /л
1 рафики зависимостей значений скоростей распространения сигнала С и маятниковой волны Ст от степени сжатия сборки блоков из оргстекла при разных видах прослоек приведены на рис.2. Кривая 1 соответствует скорости С, 2 и 3- скоростям
маятниковых волн в сборках блоков без прослоек и с прослойками из вакуумной резины. Для сравнения с этими зависимостями на рис. 2 приведены также графики зависимостей значений скоростей распространения сигнала (кривая 4) и маятниковой волны (кривая 5) от степени сжатия сборки кирпичей.
Рис. 2. Зависимости скоростей распространения сигнала и маятниковой волны в сборках блоков из оргстекла (кривые 1, 2, 3 ) и в сборках из силикатных
кирпичей (кривые 4, 5)
Из приведенных данных следует, что скорость распространения сигнала по сборке из кирпичей (кривая 4) заметно меньше продольной скорости упругих волн в материалах кирпичей, равной 3100 м/с. С ростом сжатия сборки до 400 кПа наблюдается быстрый ее рост, который при увеличении сжатия постепенно замедляется. В сборках из блоков оргстекла с ростом сжатия большие изменения скорости распространения сигнала так же наблюдаются в интервале давления сжатия сборки от нуля до 400 кПа. При этом величина ее приближается к значению продольной скорости звука в оргстекле - 2600 м/с. Дальнейшее увеличение сжатия слабо влияет на величину скорости.
Общим в характере зависимостей скорости распространения маятниковой волны от внешнего сжатия является ее быстрый рост на начальной стадии увеличения сжатия. Такой рост в сборках блоков из оргстекла наблюдается до сжатия давлением в « 400 кПа и при большем сжатии прекращается. В случае сборки из кирпичей увеличение скорости после начальной стадии роста сжатия наблюдается во всем диапазоне его изменения. Такое отличие в поведении волн в разных сборках можно объяснить разной шероховатостью контактирующих поверхностей кирпичей и блоков из оргстекла. Очевидно, что поверхности кирпичей больше искривлены. При соприкосновении кирпичей их взаимодействие происходит в локализованных точках. По мере роста силы сжатия сборки площадь контактов возрастает, что приводит к росту суммарной жесткости прослойки и соответственно к росту скорости маятниковой волны. В случае блоков из оргстекла такой рост площади контакта с увеличением сжатия происходит быстрее и при сжатии давлением в «400 кПа площадь контакта достигает, по-видимому, максимума. При этом скорость сигнала сравнивается с продольной скоростью звука, а скорость маятниковой волны стабилизируется на уровне, зависящем от податливости прослойки. Влиянием шероховатости можно объяснить и тот факт, что скорости маятниковых волн в сборках из кирпичей заметно меньше таковых в сборках из оргстекла. Возможно, при большем сжатии сборки из кирпичей значения скорости распространения сигнала и маятниковой волны выйдут на постоянный уровень. В эксперименте это проверить не удалось из-за растрескивания кирпичей.
В заключение отметим:
1. Проведенные эксперименты на модели блочной среды в виде сборки блоков из оргстекла подтвердили полученные ранее результаты, такие как:
■ Спектр возмущений в блочной среде, возникающих при импульсном нагруже-нии, определяется частотами собственных колебаний отдельных блоков и частотным спектром их коллективных движений.
■ По мере распространения возмущений по сборке собственные колебания затухают и тем быстрее, чем больше их частота.
■ Вдали от точки удара в колебаниях кирпичей выявляется низкочастотная волна маятникового типа, определяемая их взаимодействием через податливые прослойки.
2. Внешнее сжатие блочной среды оказывает большое влияние на скорости распространения волн, их частотный спектр. Эти параметры могут быть использованы для контроля над изменениями внешнего сжатия.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Садовский М. А. Естественная кусковатость горной породы // ДАН СССР. - 1979. - Т. 247. - № 4. - С. 829-832.
2. Курленя М.В., Опарин В.Н., Востриков В.И. О формировании упругих волновых пакетов при импульсном возбуждении блочных сред. Волны маятникового типа и^// ДАН
СССР. - 1993. - Т. 333. - № 4.- С. 3-13.
3. Курленя М.В., Опарин В.Н., Востриков В.И. Волны маятникового типа. Ч. II: Методика экспериментов и основные результаты физического моделирования // ФТПРПИ. - 1996. - № 4.- .С. 3-38.
4. Александрова Н. И. О распространении упругих волн в блочной среде при импульсном нагружении // ФТПРПИ. - 2003. - № 6.-С. 38-47.
5. Александрова Н. И., Шер Е. Н. Моделирование процесса распространения волн в блочных средах // ФТПРПИ. - 2004. - № 6.-С.49-57.
6. Александрова Н. И., Черников А. Г., Шер Е. Н. О затухании маятниковых волн в блочном массиве горных пород // ФТПРПИ. — 2006. — № 5.-С. 67-74.
7. Шер Е. Н., Черников А. Г. Экспериментальное исследование влияния сжатия на распространение волн в блочных средах при ударном нагружении // Интерэкспо ГЕО-Сибирь-2015. XI Междунар. науч. конгр. : Междунар. науч. конф. «Недропользование. Горное дело. Направления и технологии поиска, разведки и разработки месторождений полезных ископаемых. Геоэкология» : сб. материалов в 3 т. (Новосибирск, 13-25 апреля 2015 г.). - Новосибирск : СГУГиТ, 2015. Т. 3. - С. 287-292.
© А. Г. Черников, Е. Н. Шер, 2017
