Формирование упругих волновых пакетов при импульсном возбуждении блочных сред тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.07 ВАК РФ

На правах рукописи

ПРИ ИМПУЛЬСНОМ ВОЗБУЖДЕНИИ БЛОЧНЫХ СРЕД

Специальность 01. 02. 07. - "Механика сыпучих тел, грунтов и горных

пород"

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических паук

Новосибирск 1997

Работа выполнена в Институте горного дела Сибирского отделения Российской Академии Наук.

НАУЧНЫЙ РУКОВОДИТЕЛЬ - академик АГН, доктор

физико-математических наук Опарин Виктор Николаевич

ОФИЦИАЛЬНЫЕ ОППОНЕНТЫ - академик АГН, доктор технических

наук, профессор Егоров Петр Васильевич

- старший научный сотрудник, кандидат физико-математических наук Назаров Леонид Анатольевич

ВЕДУЩАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ - Институт юофизтси СО РАН

Защита состоится" 27 " июня 1997г. в 10 часов на заседании диссертационного совета Д 003.17.01 Института горного дела СО РАН ( 630091, г. Новосибирск - 91, Красный проспект, 54).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института горного деда СО РАН.

Автореферат разослан мая 1997г.

Ученый секретарь диссертационного совета, д. т. н., профессор

и Л/с

А^сгуплы^ость. До 115ДЯ8исго вр?!.'5ка в кзхмжко горных И3|?ад7 гсофизккг» ссйську^пп: ¡^х у иос в стрпна так н за рубггссм цпрогссе прть мекенкс н развитие получила, линейная теория рдспрсегрскення упругш: волн продольного и поперечного типа. Серьезный повод к пересмотру этак взглдцоз дают вегшкэ результаты в геомежюкх и открытая последнего до-сятшктпл, полученные в ведущих организациях нашей страны (ИГД СО РАН, ИДГ РАН, ВНИМИ н Х ввндвгааьетвуюшкв о баалаоЗ $ма нейкости в поведении геоыатеркалоз и массивов горных пород, обусгсз-лешгых прккде всего их бпочно-нерархичесхим строением. В этой связи в ИГД СО РАН была высказана гипотеза о возможности существования в блочных средах волн маятникового типа, элементарными носителями которых являются геоблокн различного масштабного уровня. Об этом позволяли говорить следующие фундаментальные результаты з гхсперименталъной геомеханике н геофизике: известная концепция М. А. Садовского и его учеников о существовании структурной иерархии массивов горных порея; явление знакопеременной реакции горных пород на динамические воздействия (М.В.Курленя, В.Н.Опарин н др.); сущоствошише статической связи между размерами геоблоков различного иерархического уровня и раскрытием разделяющих их трещин (М.В.Курленя, В.Н.Огшрин, А.А.Еременко) и др. Для обоснованных заслючегшй о справедливости выдвинутой гипотезы фундаментальную значимость имеют исследования, связанные с изучением особенностей формирования упругих волновых пакетов при импульсных возбуждениях блочных сред, а тахзее их связей с абсолютными харгкгерл-стикакш деформаций и смещений структурных элементен. Указанны! { обстоятельством дшстуется актуальность темы проведенных автором исследований, отраженных в названии диссертации.

Диссертационная работа выполнялась автором в рамках проектов Российского фонда фундаментальных исследований: -05-08643 (1993-

1995гг.) "Закономерности формирования упругих волновых процессов при импульсном возбуждении блочных сред", №96-05-66052 (1996-1997 гг.) "Геомеханические условия возникновения квазирезонансов в геоматериалах и блочных средах", в рамках выполнения исследований по х/д №№ 05-20 (1993 г.Х 724-20 (1995 г.) с Норильским горно-металлургическим комбинатом.

Цель работы. Применяя необходимое измерительное оборудование экспериментальными исследованиями особенностей формирования упругих волновых пакетов в блочных средах при их импульсном возбуждении проверить справедливость гипотезы о возможности существования нелинейных волн маятникового типа.

Основные задачи работы:

- создание многоканального измерительно-вычислительного комплекса;

- создание оптоэлехтронной системы регистрации деформаций и смещений блоков геоматериалов;

- разработка пакета программ, обеспечивающего функционирование измерительного комплекса;

- экспериментальная проверка гипотезы о возможности существования нелинейных волн маятникового типа в структурных средах;

Методы исследований. Анализ литературных и патентных источников, физическое моделирование, натурный эксперимент, прикладные методы обработки результатов эксперимента на ЭВМ, научное обобщение.

Научные положения, выносимые на защиту:

- экспериментально доказана справедливость гипотезы Курлени -Опарина (высказанная в рамках открытого ими явления знакопеременной реакции горных пород на динамические воздействия) в блочных средах при их импульсном возбуждении существуют нелинейные волны маятникового типа, носителями которых являются геоблоки различного иерархического

уровня за счет транслянноккых н вращательных их движений в осциллирующем режиме;

- спектральный состав волновых пакетов маятниковых волн находится в канонической соподчиненносш с основной модой колебаний блои по модулю (>/2)', / = О, ±1, ±2,...;

- при созцгстяом действии на блочную сисгсиу ¡импульсного позд-ствня и ортогональной к нему динамической или статической силы обнаруживается эффект аномально низкого трения между блоками.

Достоверность научных результатов обеспечивается большим объемом экспериментальных исследований при физическом моделировании, натурными экспериментами, использованием современного прецизионного комплекса регистрации и обработки физической информации.

Научная новизна работы заключается:

- в экспериментальном доказательстве теоретически предсказанного Курленей - Опариным существования нелинейных волн маятникового типа, носителями которых являются геоблохи различного иерархического уровня за счет трансляционных н вращательных их движений в осциллирующем режиме;

- в экспериментальном обнаружении канонической соподчиненноети спектральной структуры волновых пакетов с основной модой колебаний блока по модулю (л/г)',» = 0, ±1, ±2,...;

- в экспериментальном обнаружении эффекта аномально низкого трения между блоками геоматериалов при совместном действии на блочную систему импульсного воздействия и ортогональной к нему динамической или статической силы.

Личный вклад автора состоит:

- в разработке функциональной схемы многоканального измерительно-вычислительного комплекса (МИВК);

- в разработке отдельных узлоз МИВК (усилитель напряжения, аналого-цифровой преобразозатсяь, блок памяти, узлы сопряжения с коьшыото-ром, огггоэлаггронныг дотчлкп для измерения дефорхмцнй в мшгроскеще-ннйидр.);

- в разработке алгоршыоз, функциональных схем п прикладных программ, обеспечивающих функционирование МИВК;

- в подготовке и проведении лабораторных экспериментов;

- в обработке результатов лабораторных и натурных измерений.

Практическая ценность. Выполненные технические разработки

(многоканальный измерштельно-вычислительный комплекс, огггоэлгктрон-нал система регистрации смещений и деформаций, программное обеспечение) могут широко использоваться при решении более сложного комплекса задач нелинейной геомеханики с применением записей лабораторной и натурной информации. Обнаруженный новый эффект аномально низкого трепня в блочных средах имеет принципиальное значение для расшифровки механизма динамических форм проявления горного давления (горные удары, землетрясения и др.), действия взрывных зарядов в массивах горных пород, а также может найти широкое применение в различных технических приложениях; связанных с уменьшением трения между взаимодействующими твердыми телами.

Апробация работы. Основные научные результаты докладывались на: Всесоюзных семинарах по измерению напряжений (г. Новосибирск, 1987 г., 1990 г.), на 9-оЙ Всесоюзной конференции по механике горных пород (г. Фрунзе, 1989 г.), па научно-технических конференциях Норильского горко - металлургического комбината (г. Норильск, 1983, 1985,1993, 1995 гг.), ко X международной конференции по механике горных работ (г. Москва, 1993 г.).

Публикация. Основные пологкення диссертации опубликованы в 12 печатных работах. Новизна выполненных технических разработок защищена 2 авторскими свхЕдетелыяваыи.

Объем я струггу™» работы. Диссертационная рибота состоит из 5 глав, введения и включения, представлена на 162 страница?; машинописного текста, включает 35 рисунков, 2 таблицы, список литературы из 92 на-

»Ж* «оирп

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе на основе анализа опубликованных работ отечественных и зарубежных ученых дана характеристика состояния вопроса по изучению нелинейного поведения геоматериалов и массивов горных пород, обусловленных их блочно-иерархическим строением. Здесь выделяются труды М.А.Садовского, М.В.Курлени, В.Н.Опарина, Е.И.Шемякина, В.В.Адушкина, А.А.Спивака и др.

Изучением физических закономерностей распространения волн в реальных средах занимались Г.М.Петрашень н его школа, другие ученые.

Теоретическому исследованию распространения упругого импульса в различных моделях регулярного строения, моделях блочной структуры можно отметить работы ЛИ.Слепяна, В.Н.Николаевского, М.В.Степаненко, В. А. Сарай кипа, Н.И.Пинчуковой и др.

Практическому исследованию распространения упругих волн в слоистых, трещиноватых средах уделяли большое вгашание В.В.Рехвскнй, В.С.Ямщиков, В.Т.Глушко и др. Под их руководством были разработаны соответствующие измерительные устройства п ксиплгхсы.

Изучением кинем:этических характеристик блоков в блочной структуре при динамическом воздействии на нее занимались Г.Г.Кочарян, А.Е.Федоров, В.В.Адушкин, А.А.Спивак и др.

О теоретической возможности существования в блочной структуре особого типа волн, маятниковых, "элементарными" носителями которых яв-

лзются геоблоки различного масштабного уровня высказывались М.В.Курленя, В.Н.Опарин.

Следует отметить, что обработка сейсмических записей в геофизике и геомеханикс ведется в рамках линейных приближений с особым акцентом на выделение первых вступлений продольных и поперечных волн. Более поздние вступления обычно не рассматриваются. В любом случае анализу структуры волновых пакетов уделяется более, чем скромное внимание (и то, как правило, в рамках очень идеализированных теоретических представлений). На основе выполненного анализа ставится круг задач, требующих своего первоочередного решения.

Вторая глава посвящена разработке многоканального измерительно-

вычислительного ком-

X блок каналов

II елок каналов

I

!е 1£

1<°

I

I

1 8 3 7 а

1 С 3 7 I

; : ;

1 б Э 7 е

III блек каналов

10 12 и

п 13 1}

11 и и

Рис.1. Функциональная схсма многоканального ихмгрительно-БЫчислительного комплекса

плекса (МИВК). На основе анализа требований к измерительной аппаратуре определена структура ИВК, функциональная схема которого представлена на рис. 1. Здесь, I блок каналов: 1 - первичный преобразователь, 2 -усилитель напряжения, 3 - фильтр нижних частот (ФНЧ), 4 - цифровой 2-х канальный осциллограф, 5 - узел сопряжения; II блок каналов: 6 - усилитель напряжения, 7 - аналога - цифровой преобра-

1

J

зователь (ЛЦП), 8 - блок памяти, 9 узел сопряжения; III блок каналов: 10 -датчик для измерения квазкстатическнх смещений, 11 - датчик для пжсре-ния деформаций, 12 - формирователь ситалоз управления, 13 - дифференциальный усилитель, 14 - узел сопряжения, 15 - фильтр нижних частот, 16 -узел запуска, 17 - компьютер.

Данный комплекс позволяет исследовать виброускорение по 10 каналам, смешение и деформзцшо объекта >>о 3-к кисиак. В I блоке криялоч применяется стандартное измерительное оборудование. Во П блоке каналоз используются блоки и узлы, специально разработанные автором (усилители напряжения, аналого-цифровые преобразователи, блоки памяти, узлы сопряжения с компьютером). На схему усилителя напряжения получено авторское свидетельство на изобретение.

Для измерений мшсросмещений н деформаций предназначен III блок каналов, в котором используются специально разработанные автором опто-электронные датчики, принцип действия которых показан на рис.2.

Для измерения смещений в квазистатическом режиме используется датчик (рис.2а), построенный на основе микросхемы с зарядовой связью, которая представляет из себя ни- [Рис.2. Схемы действия оптоэлектронных;

{датчиков: а) для измерения статических бор из 1024 фотоэлементов, }смещений; б) два измерения деформаций. |

расположенных п линейку с шагом 25 мкм. Шток , .атчика отслеживает смещение объекта, меняется положенье светонепроницаемой шторки, соответственно изменяется число засвечиваемых фотоэлементов, которое и определяет величину смещения объекта.

излучатель

<п)

приемник

Регистрация деформаций производится датчиком (рис. 26), который представляет собой фотооптическую систему, помещенную в механическую конструкцию. На измеряемом объекте укрепляется светонепроницаемая шторка, которая помещается между излучателем и приемником фотооптической системы. На приемнике проецируется полоса тени ог шторки в потоке инфракрасного излучения источника. Деформация контролируемого объекта вызывает изменение положения тени относительно приемного элемента, что приводит к изменению выходных сигналов с приемника.

Для функционирования измерительно-вычислительного комплекса автором было разработано соответствующее программное обеспечение.

Третья глава посвящена методике экспериментов и результатам физического моделирования.

Здесь решаются следующие основные задачи:

- экспериментальная проверка гипотезы о возможности существования волн маятникового -пша, "элементарными" носителями которых являются геоблоки различного уровня;

- установление связи спектральных мод в волновых пакетах для каждого блока составных структур с основной модой колебаний;

- экспериментальное доказательство того, что геоблоки в блочной системе обладают колебательными движениями как "абсолютно" твердые тела.

Немаловажной задачей являлось также получить ответ на вопрос: какие соотношения существуют между внутрвдеформацнонными и динамико-юшематическими характеристиками блоков в приближении "абсолютно" тссрдых тел - носителей маятниковых волн. Эксперименты проводились на пяти моделях (рнс.З), выполненных из различных материалов (бетон, силикатный кирпич, оргстекло). Акселерограммы снимались с центров боковых поверхностей с одной стороны каждого блока в случае блочной модели, а в случае сплошной модели - с центров выделяемых поверхностей 4-х (5- ти) одинаковых "блоков".

Ю

Обработка аналоговых сигналов производилась с использованием быстрого преобразования Фурье (БПФ). В качестве источника импульсных воздействий применялись стальные шарики массами ) 14 и 226,9 г. а также

У «I •4 'Э '2 '1

Ж

Р

№1

7ЭЭ

Я

№3

86 (а)

•!

-2

- 4

-6

250

№2

(б)

№№4,5

85

стальной боек массой 82,73 г.

Анализ большого числа полученных акселерограмм и вычисленных спектрограмм показывает, что если ха]жк-терные изменения волновых пакетов и их амплитудно-частотных характеристик для сплошного блока (рис.4) являются по существу "монотонными" и соответствуют известным теоретическим представлениям, то с

|Рис.З. Структура моделей, использованных [пр^фюотеско^модеот^вшши. __

принципиально иной ситуацией сталкиваемся в случае блочных моделей (рис.5). Широкополосный по спектральному составу исходный сейсмоим-пульс с удалением от блока к блоку последовательно трансформируется в волновой пакет с резко выраженным линейчатым спектром. Частоты получаемых гармоник /, подчиняются отношениям:

/; = а'х/ои = 0,1,2,...; (1)

1

/г

</„, «'= 1,2,

(2)

где а — 42; /с= Кр/ 2 А - основная собственная частота блока; А - линейный размер блока (в кубическом приближении); Ур - скорость продольных волн.

в

3

5

Тог к а 1

<000

-4И»-

1(5> Точка 1

- - - - -Т |

Точка 5

Л \

щ

1 г. з

длительность ^ мсек

5 ю 15 « частота с Гц

г5

Рис,4. Записи волновых пакетов н соответствующие им спектрограммы для модели из сплошного материала (модель №3, ось X, IV- 15мДж).

Причем, трансформация спектре осуществляется в низкочастотную область. По существу в блочной структуре происходит "перекачка" энергии от высокочастотных компонент импульса к низкочастотным.

Общий анализ эволюции спектрального наполнения упругих волновых пакетов по трем ортогональным направлениям (х, г) для блочных моделей позволяет предположить, что обнаруживаемые на записях акселерограмм общие закономерности (соподчиненность по опорным частотам , сдвиг спектральных пакетов в низкочастотную область, примерно одинаковая структура записей для фиксированных блоков по трем направлениям регистрации с образованием сопоставимых по величине доминантных низкочастотных гармоник и др.) обусловлены прежде всего характером внутреннего деформирования блоков.

Анализ графиков по особенностям эволюции спектров от блока к блоку показывает, что понятия "ближняя", "средняя" и "дальняя" зоны для маятниковых волн с носителями А от импульсных источников могут быть введены вполне конкретно по размерам. Так, в качестве "ближней" зоны от источника импульсного воздействия можно рассматривать область, ограниченную двумя Л (на первых двух блоках доминируют высокочастотные составляющие спектра); "средней" - область, ограниченную расстояниями от двух до трех А (в третьем блоке высокочастотные и низкочастотные гармоники сопоставимы по амплитуде); "дальней" - область, удаленную более чем на ЗА от источника (исчезают высокочастотные гармоники). Отмеченные признаки четко прослеживаются не только по всем трем направлениям регистрации колебаний, но и для блоков различных по вещественному составу (бетон, оргстекло, силикатный кирпич). Помимо различий в спектральном наполнении этих "зон", прослеживается четкое изменение динамики затухания амплитудных характеристик волновых пакетов: в пределах первых двух "зон" оно имеет экспоненциальную зависимость, а при переходе в "дальнюю" затухание резко уменьшается.

Количественная оценка изменения спектрального состава волновых пакетов для соответствующих блоков в зависимости от энергии импульсных воздействий производилась по дискретному аналогу параметра г:

(3)

где/ и А (/") - соответственно частота и амплитуда гармоник спектрального образа аналогового сигнала.

В качестве ?.?еры энергетического воздействия на блочную систему использовался параметр Я

му1

(4)

где № - энергия импульсного воздействия; М - масса одиночного блока; Ур - скорость продольной волны в блоке.

Зависимость параметра г от энергии возбуждения приведена на

рис.6.

12 И 10

а

I9 & „

Анализ графиков на этом рисунке позволяет заключить, что с увеличением энергетической характеристики импульсных воздействий к первые прлзпакн формирования низкочастотной волны (обозначим ее ц - волна)

1 наблюдаются лишь при к ^ 9 1 х

к 1!

10' (0 \ к 4 ). Ярко выражеп-

1 с „ ш * ной начальная фаза этой полны

!П1П возбуждения ¡У для каждого блока' г

.блочной структуры. ; становится при энергиях IV, со-

ответствующих к = вг х 10"*, в2 е 1 ■*■ 4. При к з 4 х 10"9 блочная система входит в квазирезонансный режим работы в целом: в этом состоянии аналоговые сигналы весьма существенно обогащаются высокочастотными компонентами по сравнению со смежными диапазонами энергий, о чем и сви-

0,01

Ц.1

10 10' ;Рис.6. Зависимость параметра тот энер-

детельствуст дошлышй минимум параметра г на рис. 6 по всем блокам блочной модели. При дальнейшем увеличении энерпш импульсных воздействий происходит процесс перераспределения возрастающей энерпш от внешних импульсных воздействий в пользу высокочастотных составляющих волнового пакета. Анализ грйфикса на рис.7 ззолюцни волиозого пакета и его спектра в зависимости от импульсной энергии показывает, что динамика роста высокочастотных составляющих волнового шихта более чем на порядок превышает динамику роста низкочастотных составляющих этого же пакета.

Для доказательства положения о том, что геоблоки при импульсные воздействиях двигаются как "целое", использовалась оптоэлектронная система для измерений абсолютных смещений и деформаций, описанная во второй главе. Полученные результаты представлены на рис.8. Как водно ез представленных графиков, блоки в составной модели обладают колебательными затухающими движениями как "абсолютно" твердые тела по типу физических маятников с амплитудами достигающими 30 мкм (Ар = 3 х 10"3м). Однако спектр этих колебаний на порядок ниже, чем для низкочастотной части спектральных пакетов, регистрируемых акселерометрами. Этот факт является подтверждением того, что на записях акселерограмм отражены прежде всего динамические внутридеформационные характеристики блоков.

Выполненный комплекс исследований подтвердил гипотезу о возможности существования волн маятникового типа (ц - волны), элементарными носителями которых являются геоблоки различного масштабного уровня.

Анализ закономерностей формирования спектров волновых пакетов свидетельствует о том, что формирование упругих волновых пакетов в блоках массивов подчиняется закону канонической (»подчиненности их спектров / по модулю (>/2)':

Рис.7. Эволюция волнового пакета и его спектра от величины энергии импульсного воздействия.

Рис.8. Смещения блоков в вертикальном направлении и их спектры при энергии возбуждения IV -- 41.1 мДж.

«~0. ±1. ±2, ..„ (5)

гДе Л = К, - скорость продольной кол ¡и в блоках; Л - характерный

размер бяокоз. Формула (5) дяна в секторном прздстявлгшш

/-(Л,/,,/,) (6)

(.г, V, л) - ортогональные направления для поверхностей блоков.

ТТ/'Истяил условия канонической соподчипепности спехгоа в волновых пакетах ¡л - волн при определенных уровнях энергетических может приводить к проявлению эффекта аномально шпхого трення между взаимодействующими блохами в ортогональных к линии действия внешнего импульса направлениях (подробно рассматривается в главе 5).

Четвертая глава посвящена обработке результатов натурных экспери-*.:етггс^. Ое:;егнсй целью проделанной здесь пябсггы являлся анализ выборочных сейсмограмм от серии взрывов в натурных условиях (Талнахс^а-Оппбрьское н Таштагольское местро:кдения), пописанных на сравнительно небольших удалениях от очаговых зон в рудном и закладочном массивах, с позиций выделения ¡л - волновых пакетов и их гоомеханической интерпретации на базе результатов физичесхого моделирсваши. С этих тте позиций был проанализирован и горный удар, записанный на Тслггсгольсксм мссто-РОЯСДСН'ЛИ.

Самый общий анализ струя-туры спектрального наполнения записанных сеИсхсгри.ж (для примера на рис.9 пр'езедеп ТИПИЧНЕЙ 1ТлАотг); хяпяктеря ИХ ЛР.ОЛЮ-

.1 11!',<

1::

1 лЩШУ-

о и?3

7Э0 .тя «о кю шш по уда—!«« от оптовых длительность I мсас зон и с учетом результатов физи-

Рис.9. Графих скорости смещения (в мВ) в рудном массиве от технологического взрыва.__

ческого моделирования (гл.3), позволяет заключить, что в данных

условиях (по существу - в ближней и переходной зонах) производится типичная ситуация формирования воли маятникового типа.

В основе такого заключения лежат, главным образом, те же особенности формирования упругих волновых пакетов от внешних импульсных воздействий, что были отмечены и продемонстрированы на примере физического моделирования импульсной реакции блочных сред. Это обстоятельство позволяет анализировать отдельные гармоники на сейсмограммах с позиций размера носителей (геоблоков) маятниковых волн согласно формуле (5). Следует особо акцентировать внимание на том, что именно резонансный механизм возникновения волн маятникового типа позволяет установить по сути однозначную связь между величиной "работающих" блоков (носителей ц - волн), их механическими модулями, входящими в выражение

*ч>г- .• • - -

для Ур, и спектральными гармониками (основными несущими частотами) сейсмограмм от взрывов в соответствии с формулой (5).

Каноническая структура спектров представленных сейсмограмм дает возможность оценить линейные размеры блоков - носителей р - волн от проведенных взрывов. Анализ размеров блоков для рудного массива и для закладочного дает по сути один и тот же набор блоков по линейным размерам, но со сдвигом соответствующих им частот. Например, для блоков с линейными размерами порядка А,= 8м для руды /¡(р) = 11,3 Гц, а для закладки /¡(з) = 8,8 Гц. При значениях скоростей продольных волн в руде Уе(р) = 4000 м/с, а в закладке - Ур (з) = 3000 м/с выполнение соотношения:

~фтт = (для фиксированного Д -) (7) /Л3) ур(3)

свидетельствует о том, что в рудном и в закладочном массивах от взрывов происходят колебания весьма близких по типоразмерам блоков.

С учетом физического смысла волн маятникового типа, и принимая во внимание структуру сейсмограмм, полученных при физическом моделировании, для описания формы ц - волнового пакета (трансляционная ком-

понента) В.Н.Опариным было предложено дифференциальное уравпепкз затухающего осциллятора (маятника), решение которого позволяет аппроксимировать наиболее высокоэнергоемкую часть записи пакета ц - волны с основной несущей гармоникой /в в виде косинусоиды, вписанной в "рупор" (рис. 10а ). Из этого графика можно оценить коэффициент межбло-козого трения для А - носителей ц - волны по точке пересечения , г., линий 11МЯМИ рупора с есыо г.бсцпсс т (з системе координат "амплитуды пакета ц - волны" - "время t = t - te "):

Г,

(8)

Использовать данную формулу удобно для обработки

записей пакетов ц - воли с одним ярко выраженным носителем А - геоблоками некоторого определенного иерархического уровня.

Анализ сейсмограмм горного удара и технологического массового г.зрыпа на горизонтах -140 м и - 215 м рудника Таштагольский с использованием приведенных выше вы-

рж-жшн Д.-СТ сйедутсщнс оценки. Для |рнс. 10. Типовые

! сейсмогрзм-

горного уляра (рис. 106) параметр г, !мы воля маятникового типа:

(а) - х расчету коэффициента оценивается величиной порядка 2.45 с, |трения между блоками;

22°. Основная несущая частота /0 |(б) - запись горного удара;

(в) - запись технол. взрыва.

для волнового пакета равна примерно 1.....-............—........-----------------------—

5 Гц . Этой частоте отвечает работа геоблоков А = 26,5 м. Для массового взрыва (рис. Юв) параметр г, оценивается величиной порядка 1.22 сек, откуда следует, что угол трения £ 36 °. Основная несущая частота /, - 2.5 Гц, что соответствует работе геоблоков А £ 53 м.

Обращает на себя внимание большое различие углов трения р,, т. е. в случае горного удара коэффициент трения между геоблоками аномально мал, что подтверждает резонансную природу этого эффекта. Таким образом, параметры г, или <р, могут быть использованы как важные показатели степени удароопасности массивов горных пород в натурных условиях по сейсмическим записям ц - волн как от взрывных воздействий, так и по индуцированной сейсмичности.

При расшифровке механизма возникновения волн маятникового типа был отечен эффект резкого уменьшения трения между взаимодействующими блоками при определенных энергетических уровнях импульсного воздействия, который обусловлен "кажущимся" отрывом между поверхностями взаимодействующих блоков.

Пятая глава посвящена изучению этого эффекта, для чего был выполнен цикл исследований методом физического моделирования с ответом на следующие вопросы: 1) какова связь между абсолютными поперечными смещениями отдельного блока в блочной структуре при совместном действии импульсного воздействия на структуру и силового воздействия (в импульсном и стотпчсскоьл приближении) на исследуемый блок; 2) роль временного интервала задержки между импульсными воздействиями на блочную структуру и на исследуемый блок.

На первом этапе экспериментов производилось измерение пороговых, значений статической горизонтальной силы для преодоления состояния покоя одного блока в блочной структуре без импульсного возбуждения.

I со

______На втором этапе исследований регастрирокчтгеъ

6а'о:;;1 при совместном действии статической горизонтально,"! силы Г и вертикального импульсного

„ В03бу2СЦСЫ-'1Я ЩрИ2.11).

....... Из анализа полученных

у \«нДк

2 225 2£ 2,75 горизонтальная сма Р. а

¿згмд* графиков в сравнении с

иннниии прпрлт з^вут«

,23цД* ИсслеДованИЙ ВИДНО, что действие импульсного

- 9 иД*

возбуждения на блочную среду приводит к сущест-<•) венному "выигрышу" в

х>ча« еловых характеристн-шнй* ках ,для осуществления

71 но* процессов

^ '\7 цД«

7 кД*

6 7

8 9 10 11 12 13 14 15 16

горизонтальная сила Г, нг

, Рис.11. Зависимость поперечных емьщений ¡блока №3 при совместном действии статического горизонтального усилия Г и вертикаль-шого импульса энергией Щ - для блочной

модели из оргстекла, б-для блочном модели нз силикатного кирпича).

сдвижения блоков в стесненных условиях. Например, при ищ>гаях г 42 мДхс смещение </ = Юмкм происходит уже при /•'= 1,75 кг (рис.11а), в то время как 6,6 кг.

Общими свойствами приведенных па

рис.11 ¡рафиков являются: 1) практически монотонное возрастание сдвиговых значений " работающею" блока но мере увеличения энергии вертикального импульса 17в для фиксированных горизонтальных усилий Р, 2) зависимость, близкая к параболической, относительно возра< ания сдвиговых значений с/ "работающего" блока по мере увеличения бокового

5

(горизонтального) усилия К Основные особенности характеристик -смещения "работающего" блока из силикатного кирпича (рис.116) аналогичны отмеченным, отличие заключается лишь в масштабе единиц по оси абсцисс. Повышенная шероховатость силикатных блоков проявляется в "квазимонотонной" структуре графиков.

В заключительной стадии экспериментов исследовалось влияние на смещение испытуемого блока временной задержки между действиями вертикального импульсного возбуждения на блочную систему и горизонтального импульсного воздействия на испытуемый блок. Было проведено три серии экспериментов с различными величинами энергий импульсных возбуждений и количеством опытов в каждой серии. Методика проведения экспериментов была следующая. В каждом опыте испытуемый блок сначала подвергался только горизонтальному воздействию, фиксировалось его смещение, затем блочная система подвергалась вертикальному импульсному возбуждению, а испытуемый блок - горизонтальному. Регистрировалась задержка между возбуждениями и замерялось смещение испытуемого блока.

Из анализа данных следует: 1)динамика роста средних значений </ср абсолютных смещений блока примерно в два раза превышает динамику роста величины энергии горизонтального возбуждения ; 2) наблюдается канонический характер соподчиненности значимых локальных максимумов поперечных смещений работающего блока по модулю л/2 в шкале относительной временной задержки вертикального и горизонтального импульсных воздействий, хотя энергетические характеристики импульсных воздействий существенно разнятся; 3) оперирование со средними значениями (1ц, при действии двух ортогонально действующих импульсных возбуждений без учета временной задержки между этими возбуждениями может приводить к неоднозначным заключениям по характеру связи реальных смещений Ы блоков с энергетическими уровнями импульсных воздействий.

Заключение.

В диссертации, представляющей собой законченный этап научной работы, выполнен комплекс исследований, имеющий существенное значение для изучения нелинейного поведения массивов горных пород, обусловленных его блочно-иерархическим строением.

Основные научные и практические результаты работы заключаются в следующем:

- экспериментально доказало теоретически предсказанное Курленей -Опариным (в рамках открытого ими явления знакопеременной реакции горных пород на динамические воздействия) существование нелинейных волн маятникового типа, носителями которых являются геоблоки различного иерархического уровня за счет трансляционных и вращательных их движений в осциллирующем режиме;

- экспериментально установлено, что формирование упругих волно-яых пакетов в блоках массивов подчиняется закону ханоиичесхой соподчн-ненности их спектров / по модулю (л/2)':

/-0,±1,±2,..„

где /0 - К /2Д, Ур - скорость продольной волны в блоках; Д- характерный размер блоков;

- экспериментально установлено, что геоблоки в блочной системе обладают колебательными движениями как "абсолютно" твердые тела;

- предлагается в качестве важных показателей удароопасности горных пород использовать параметр г, или угол фения

- установлено, что при определенных энергетических уровнях импульсного воздействия на модели блочных сред, наблюдается эффект " исчезновения" трения между взаимодействующими блоками в направлениях, ортогональных к линии действия этого воздействия;

- установлено, что поведение блока (его смещения) в блочной системе при действиях импульсного возбуждения на эту систему и ортогонального к нему импульсного возбуждения на данный блок, зависит от временной задержки канонического типа по модулю (^2)' между этими возбуждениями.

- в экспериментальном исследовании эффекта аномально низкого трения меэаду блоками при одновременном действии на блочную систему импульсного воздействия и ортогональной к нему динамической или статической силы.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Курленя М.В., Опарин В.Н., Востриков В.И. О формировании упругих волновых пакетов при импульсном возбуждении блочных сред. Волны маятникового типа V^. И Доклады Академии наук, 1993, т.ЗЗЗ, №4, с.3-13;

2. Курленя М.В., Опарин В.Н., Востриков В.И. Волны маятникового типа. Ч. I: Состояние вопроса и измерительно вычислительный комплекс.

// ФТПРПИ, Новосибирск, 1996, №3, с.3-8;

3. Курленя М.В., Опарин В.Н., Востриков В.И. Волны маятникового типа. Ч. П: Методика экспериментов и основные результаты физического моделирования.//ФТПРПИ, Новосибирск, 1996, №4, с.3-39;

4. Курленя М.В., Опарин В.Н., Востриков В.И. Волны маятникового типа. Ч.Ш: Данные натурных наблюдений. // ФТПРПИ, Новосибирск, 1996, №5, с.3-27;

5. Курленя М.В., Опарин В.Н., Востриков В.И. Об эффекте аномально низкого трения. //ФТПРПИ, Новосибирск, 1997, №1, с.3-16;

6. A.c. №928283 СССР, МКИ G01V1/30. Устройство для регистрации сейсмической информации. / Сбоев В.М., Востриков В.И., (СССР), 4с.; нл.;

7. A.c. №1012305 СССР, МКИ G08C19/02. Устройство для приема сейсмической информации. / Сбоев В.М., Востриков В.И., Чсремных Г.В., (СССР), Зс.: ил.;

8. Сбою В.М., Восгриков В.И. О динамике горного толчка на подземном горном предприятии. // Физические свойства пород в массиве. / Сб. нр-учн. трудов, Новосибирск, ИГД СО АН СССР, 1982, с.83-89;

9. Востриков В.И., Сбоев В.М. Подсистема "Анализ 3-1" для микросейсмических исследований. // Методология и технические средства определения напряжений в горном массиве. / Сб. научн. трудов, Новосибирск, ИГД СО АН СССР, 1983, с.114-116;

10. Востриков В.И., Сбоев В.М., Распопина И.Н. Сейсмотестер С - 4 // Методология и технические средства определения напряжений в горном массиве. / Сб. научн. трудов, Новосибирск, ИГД СО АН СССР, 1983,

с.118-120;

11. Востриков В.И., Юн Р. Метод!пса выполнения сейсмоакустических измерений. // Методология и технические средства определения напряжений в горком массиве. / Сб. научн. трудов, Новосибирск, ИГД СО АН СССР, 1989, с.98-110;

12. Бобров Г.Ф., Востриков В.И., Сбоев В.М. Переносная микросейсмическая станция для исследования процессов разрушения горных пород и строительных материалов. // Труды X международно й конференции по механике горных пород. / М., 1993.

Тип. СО РАН зак. 245 Тираж 100 экз. Новосибирск, пр. К.Маркса, 2