Взаимосвязь полей макрои микродеформаций, инфракрасного излучения, микросейсмической эмиссии при нагружении геосреды до разрушения. Комплекс для физического моделирования

Востриков Владимир Иванович; Усольцева Ольга Михайловна; Цой Павел Александрович; Семенов Владимир Николаевич

УДК 621.3.08

ВЗАИМОСВЯЗЬ ПОЛЕЙ МАКРО- И МИКРОДЕФОРМАЦИЙ, ИНФРАКРАСНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ, МИКРОСЕЙСМИЧЕСКОЙ ЭМИССИИ ПРИ НАГРУЖЕНИИ ГЕОСРЕДЫ ДО РАЗРУШЕНИЯ. КОМПЛЕКС ДЛЯ ФИЗИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ*

Владимир Иванович Востриков

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки «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: vvi49@mail.ru

Ольга Михайловна Усольцева

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки «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

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки «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. Карла Маркса, 20, кандидат физико-математических наук, научный сотрудник, тел. (383)330-96-41, e-mail: paveltsoy@mail.ru

Владимир Николаевич Семенов

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки «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

Создан стенд для синхронной регистрации физических полей: макро- и микродеформаций, теплового, акустической эмиссии генерируемых при нагружении физических моделей, имитирующих геосреду, до разрушения. Отработана методика проведения эксперимента по нарушению сплошностигеосреды методом флюидоразрыва. Проведен тестовый эксперимент.

Ключевые слова: измерительный стенд, модель геосреды, лабораторный эксперимент, флюидоразрыв, структура, спекл-метод, акустическая эмиссия.

INTERACTION OF MACRO- AND MICRODEFORMATION FIELDS, INFRARED RADIATION AND MICROSEISMIC EMISSION IN GEOMEDIUM UNDER LOADING UNTIL FAILURE. PHYSICAL MODELING EQUIPMENT

Vladimir I. Vostrikov

Chinakal Institute of Mining, Siberian Branch, Russian Academy of Sciences, 630091, Russia, Novosibirsk, 54 Krasny prospect, Ph. D. Eng, Head of Rock Geophysics Laboratory, tel. (383)217-00-01, e-mail: vvi49@mail.ru

Olga M. Usoltseva

Chinakal Institute of Mining, Siberian Branch, Russian Academy of Sciences, 630091, Russia, Novosibirsk, 54 Krasny prospect, Ph. D. Phys-Math, Executive Director of Shared Use Center for Ge-

* Работа выполнена при финансовой поддержке Российского Фонда Фундаментальных Исследований (проект № 15-05-07566) на оборудовании ЦКП ГГГИ СО РАН.

omechanical, Geophysical and Geodynamic Measurements SB RAS, 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, Ph. D. Phys-Math, 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, Principal Specialist, tel. (383)330-96-41, e-mail: centre@misd.nsc.ru

The authors have designed a bench for measuring synchronously micro- and macrodefor-mations, thermal field and acoustic emission in physical models simulating geomedium under loading until failure. The experimental procedure is worked out.

Key words: measuringbench, geomedium model, laboratory experiment, fluid fracturing, structure, speckle-method, acoustic emission.

Тектоническая активность, разрушение горных пород вызывают проявление различных физическихявлений, таких как поле деформаций, температурные изменения, акустическую и микросейсмическую эмиссии. Имеется достаточно большое количество работ, посвященных изучению данных явлений.

В [1-6] исследуются сигналы акустической эмиссии, возникающие при деформировании образцов горных пород, анализируются распределения сигналов по энергии, динамике изменения их спектров, с целью изучения взаимосвязи с процессом развития микродефектов, их локализации и образования магистральной трещины.

В [7-11], проведено детальное исследование эволюции полей микроперемещений и микродеформаций при различных видах нагружения образцов горных пород: одноосное, двухосное сжатие, бразильская проба, испытания на ползучесть. Показано, что при уровне нагрузки около 0,5 от предела прочности появляются зоны локализации микродеформаций, существенно превышающие средние значения по поверхности образца, которые в дальнейшем формируют зоны разрушения.

Подавляющее большинство исследований ориентировано на изучение отдельных видов полей без увязки с другими, что ведет к неоднозначной оценке действия нарушения сплошности на геомеханическое состояние среды. В связи с этим проблема адекватного описания геофизических процессов, происходящих в геоматериалах при нарушении его сплошности, определение закономерностей проявления физических полей и корреляционных зависимостей между ними является весьма актуальной.

Для исследования взаимосвязи между параметрами физических полей различной природы (деформационным, микродеформационным, инфракрасным полем и сигналами микросейсмической эмиссии), генерируемыми при нарушении сплошности геологической среды от воздействия различных видов нагру-жения был создан многопараметрический комплекс. На рис. 1 приводится

функциональная схема комплекса, который включает в себя сервогидравличе-ский пресс, систему управления флюидоразрывом, комплект измерительного оборудования: микродеформаций, микросейсмической эмиссии, инфракрасного излучения, скоростную видеокамеру. Особое внимание было уделено синхронизации функционирования измерительного оборудования.

Рис. 1. Функциональная схемамногопараметрического комплекса для регистрации физических полей различной природы: макро- и микродеформаций,

теплового, микросейсмической эмиссии

На рис. 2. показан общий вид многопараметрического измерительного комплекса. Для создания нагружений различного вида использовался сервогид-равлический пресс фирмы 1шйоп, позволяющий реализовывать программы нагружения с заданной скоростью по усилиям и по перемещениям, вести непрерывную запись нагрузок и перемещений. Для регистрации микродеформаций спекл-методом применялась автоматизированная система анализа цифровых спекл-фотографий ALMEC-tv, которая позволяет проводить измерение поля микроперемещений с точностью 1 мкм с частотой до 27 кадров в секунду. Для проведения экспериментов по нарушению сплошности геоматериала с помощью флюидоразрыва разработана специальная система, позволяющая непрерывно с постоянной скоростью подавать флюид в полость физической модели для ее разрыва. Устройство позволяет менять скорость подачи флюида. Пресс доукомплектован специально сконструированным блоком, позволяющим проводить испытания модели геосредыв режиме двухосного сжатия. Дополнительный блок создает сжимающее усилие, перпендикулярное усилию, задаваемому прессом (рис. 3). В захватах пресса (1) фиксировалось специальное устройство (2), которое представляло собой раму (3), состоящую из двух частей, в которую устанавливается испытываемая модель (4). Нормальное (прижимающее) усилие создавалось гидравлическим цилиндром (5), усилие контролируется маномет-

ром и электронным датчиком давления. Нормальное перемещение фиксировалось с помощью 4-х датчиков SolartronDP10S (6), расположенных в плоскости, перпендикулярной нормальному усилию. В процессе испытания непрерывно фиксировались и записывались в компьютерный файл усилие, задаваемое прессом, перемещение траверсы, горизонтальное усилие и соответствующее ему перемещение.

Рис. 2. Общий вид многопараметрического комплекса для регистрации физических полей различной природы: макро-имикродеформаций, теплового, акустической эмиссии, видеосъемки

Рис. 3. Устройство для испытаний модели геосреды в режиме двухосного сжатия: захваты пресса (1), устройство размещения модели геосреды (2), рама (3), модельный образец (4), гидравлический цилиндр (5), 4-е датчика для измерения горизонтального перемещения (6)

При проведении эксперимента непрерывно измерялись поля микроперемещений на поверхности куба спекл-методом. Акустические сигналы измерялись с помощью акселерометров KD 91 многоканальной системой "Pulse". Одновременно производилась видеосъемка. Для регистрации температурного поля использовался компьютерный тепловизорТКВр-ИФП "СВИТ.

Заключение. Создан комплекс для синхронной регистрации физических полей: макро- и микродеформаций, теплового, акустической эмиссии генерируемых при нагружении физических моделей, имитирующих геосреду, до разрушения. Отработана методика испытаний. Проведены тестовые эксперименты.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙСПИСОК

1. Соболев Г.А., Лементуева Р.А., Лось В.Ф. Изучение спектров акустических сигналов / IX Межд. Школа-семинар «Физические основы прогнозирования разрушения горных пород». Тез. Доклада, Иркутск. - 2013, С. 84.

2. Пантелеев И.А., Плехов О.А., Наймарк О.Б. Особенности локализации деформаций при одноосном нагружении горных пород. / IX Межд. Школа-семинар «Физические основы прогнозирования разрушения горных пород». Тез. Доклада, Иркутск. - 2013, С. 64.

3. Винников В.А., Вознесенский А.С., Устинов К.Б., Шкуратник В.Л. Теоретические модели акустической эмиссии в горных породах при различных режимах их нагревания // Прикладная механика и техническая физика. - 2010. - Т.51. - № 1, С 172-177.

4. Шкуратник В.Л., Новиков Е.А., Ошкин Р.О. Экспериментальное исследование тер-мостимулированной акустической эмиссии образцов горных пород различных генотипов при одноосном нагружении // ФТПРПИ. - 2014. - № 2, С. 69-76.

5. Щербаков И.П. , Куксенко В.С. Накопительная стадия сигналов акустической эмиссии при компрессионном и ударном разрушении гранита // ФТПРПИ. - 2012. - № 4, С. 410-413.

6. Zhaoa X.G., M. Caib, J. Wanga,L.K. Maa. Damage stress and acoustic emission characteristics of the Beishan granite // International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences. 2013. Vol. 64, pp. 258-269.

7. Shao-Peng Ma, Xiang-Hong Xu, Yong-Hong Zhao. Thegeo-DSCM system and its application to the deformation measurement of rock materials // International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences. 2004. Vol. 41, pp.1-6.

8. Yunliang Tan, Yanchun Yin, and Tongbin Zhao. Investigation of Rock Failure Pattern in Creep by Digital Speckle Correlation Method // Advances in Materials Science and Engineering. Vol. 2013 (2013). Article ID 916069. http://dx.doi.org/10.1155/2013/916069.

9. ЗуевЛ.Б., БаранниковаС.А., Надежкин М.В., Горбатенко В.В. Локализация деформации и возможность прогнозирования разрушения горных пород // ФТПРПИ. - 2014 - № 1, С. 49-56.

10. Опарин В.Н., Усольцева О.М., Семенов В.Н., Цой П.А. О некоторых особенностях эволюции напряженно-деформированного состояния образцов горных пород со структурой при одноосном нагружении // ФТПРПИ. - 2013. - № 5, С. 3-19.

11. Опарин В.Н., Усольцева О.М., Семенов В.Н., Цой П.А. Эволюция напряженно-деформированного состояния образцов из искусственных геоматериалов при их одно-и двухосном нагружении // Вестник Инженерной школы ДВФУ. - 2014. - № 3(20), С. 66-80.

INTERACTION OF MACROAND MICRODEFORMATION FIELDS, INFRARED RADIATION AND MICROSEISMIC EMISSION IN GEOMEDIUM UNDER LOADING UNTIL FAILURE. PHYSICAL MODELING EQUIPMENT