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

На правах рукописи

Востриков Владимир Иванович

ФОРМИРОВАНИЕ УПРУГИХ ВОЛНОВЫХ ПАКЕТОВ ПРИ ИМПУЛЬСНОМ ВОЗБУЖДЕНИИ БЛОЧНЫХ СРЕД

Специальность 01.02.07. - "Механика сыпучих тел, грунтов и горных

пород"

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

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

ВЕДУЩАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ - Институт I еофизики 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 дела СО РАН.

Автореферат разослан мая 1997г.

Ученый секретарь диссертационного совета,

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

д. т. н., профессор

Актуальность. До издазкего времени в механике горных порол геофизике, сейсмологии ках у пас в стране таг и за рубетн широкое ггргь мекенпе н развитие получила линейная теория распространения упругих еолп продольного и поперечного типа. Серьезный повод к пересмотру этих взглядов дают вазтые результаты в геомехшпже и открытия последнего десятилетия, полученные в ведущих орпншзацпях пашей страны (ИГД СО РАН, ИДГ РАН, ВНИМИ п др.), свидетельствующие о большой роли нелинейности в поведении геоматеряалоз и массивов горных пород, обусловленных прежде всего нх блэчко-перархнческим строение?!. В этой связи в ИГД СО РАН была высказана гипотеза о возможности существования в блочных средах волн маятникового типа, элементарными носителями которых являются геоблохи различного масштабного уровня. Об этом позволяли говорить следующие фундамипвлъные результаты в экспериментальной геомехагапсе и геофизике: известная концепция МА. Садовского и его учеников о существовании структурной иерархии массивов горных порах ле1ше знакопеременной реакции горных пород на динамические воздействия (М.В.Курленя, В.Н.Опарин и др.У, существование статической связи между размерами геоблохоз рззличиого иерархического уровня и раскрытием разделяющих их трещин (М.В.Курленя, В.Н.Опарин, А.А.Еремепхо) и др. Для обоснованных заключений о справедливости выдвинутой гипотезы фундаментальную значимость имеют исследования, связанные с изучением особенностей формирования упругих еолновых пакетов при импульсных возбуждениях блочных сред, а такги их связей с ебсолгопшнп характеристиками деформаций и смещений структурных элементов. Указанным обстоятельством диктуется актуальность темы прюзгдеиных автором исследований, отраженных я паззоиин диссертации.

Дкссертацкстшая работа выполнялась езторем в рамках проектов Российского фонда фундаментальных исследований: Я_з93-05-03543 (1993-

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

Цель работы. Применяя необходимое измерительное оборудование экспериментальными исследованиями особенностей формирования упругих волновых шкетов 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 онтоэлектронной 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 трансляционных и вращательных их движений в осциллирующем режиме;

- спектральный состав волновых пакетов маятниковых волн находится в канонической соподчнненностн с основной модой колебаний блока по модулю (Л)', I = 0, ±1, ±2,...;

- при совместном действии на блочную систему импульсного воздействия и ортогональной к пему 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 Кур лелей - Опариным существования нелинейных воли маятникового типа, носителями которых являются геоблоки различного иерархического уровня за счет трансляционных н вращательных их движений в осциллирующем режиме;

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

- в экспериментальном обнаружении эффекта аномально низкого трепня меззду 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 узлов ЫИВК (усилитель напржгишя, аналого-цифровой преобразователь, Сло:с памзти, узлы сопряжения с компьютере:.!, огггоэяеятронныг датчики длз измерения деформаций и шжросыещ©-12111 н др.);

- в разработке алгоритмов, функциональных схем и прикладных программ, обеспечивающих функционирование МИВК;

- в подготовке и проведешш лабораторных экспериментов;

- в обработке результатов лабораторных и натурных пзмереш!Й.

Практическая ценность. Выполненные технические разработки

(шюго^изалмшй измерительно-вычислительный комплекс, оптоэлектрон-НоЗ система регистрации смещении и деформаций, программное обеспечение) могут широко использоваться при решешш более сложного комплекса задач нелинейной геомех&ники с применением записей лабораторной и натурной информации. Обнаруженный новый эффект аномально низкого трети б блочных средах имеет принципиальное значение для расшифрозки механизма динамических форм проявления горного даилеши (горные удары, землетрясешхя и др.), действия взрывных зарядов в массивах горных пород, а ткзке может найти широкое применение в различных технических приложениях, связанных с уменьшением трения меяоду взаимодействующими твердыми телами.

Апробация работы. Основные научные результаты докладывались нх Всесоюзных семинарах по измерению напряжений (г. Новосибирск, 1987 г., 1550 г.), па 9-ой Всесоюзной конференции по механике горных пород (г. Фрунзе, 1989 г.), на научно-технических конференциях Норильского герко - металлургического комбината (г. Норильск, 1983,1985, 1993, 1935 гг.), ка X кгддуиародпой конференции по механике горных работ (г. Москва, 1993 г.).

Публтзнщи. Основные положения диссертации опубгапсозгигы в 12 печатных работах. Нозизка выполненных технически разработок защищена 2 авторскими свидетельствами.

Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит нз 5 глав, введения и заключения, представлена на 162 страницах машинописного текста, включает 35 рисунков, 2 таблицы, список литературы нз 92 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе на основе анализа опубликованных работ отечественных и зарубежных ученых дана характеристика состояния вопроса по изучению нелинейного поведения геоматерналов и массивов горных пород, обусловленных их блочно-нерархнческнм строе!шем. Здесь выделяются труды М.А.Садовского, М.В.Курлени, В.Н.Опарина, Е.И.Шемякина, В.В.Адушкнна, ЛАСпивака и др.

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

Теоретическому исследованию распространения упругого импульса в различных моделях регулярного строения, моделях блочной структуры можно отметить работы Л.И.Слепяна, В.Н.Николаевского, М.В.Степаненхо, В.А.Сарайкнна, Н.И.Пинчуковой и др.

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

Изучением кинематических характеристик блоков в блочной структуре при динамическом воздействии на нее занимались Г.Г.Кочарян, А.Е.Федороз, В.В.Адупшш, Л.Л.Спивак и др.

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

ллгатса гсобдохи различного кгасштсб.чого урозня сыстсазыкались М.В.Курленя, В.Н.Ояарин.

Слздуст отметить, что обработка сейсмических записей в геофизике и гсомгхапикс ездстся 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 комплекса (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 сопряхсения; II блок каналов: 6 - усилитель напряжения, 7 - аналоге - цифровой преобра-

Рис.1. Функциональная схема многоканального шмерителъно-вычпежггельного комплекса

зогзтель (АЦП), 8 - блох памяти, 9 узел сопряжения; Ш блох кпнхгоз: 10 -датчик для измерения кпазистатнчесгсих смещений, 11 - датчик для измерения деформаций, 12 - формирователь сигналов управления, 13 - дифференциальный усилитель, 14 - узел сопряжения, 15 - фильтр нижних частот; 16 -узел запуска, 17 - компьютер.

Данный комплекс позволяет исследовать внброускорение по 10 каналам, смещение и деформацию объекта по 3-м каналам. В I блохе капалоз применяется стандартное измерителыюе оборудование. Во П блоке каналоз используются блохи и узлы, специально разработанные автором (усилители напряжет»», аналого-цифровые преобразователи, блохи памяти, узлы сопряжения с компьютером). На схему усилителя напряжения получено авторское свидетельство на изобретение.

Для измерений мнкросмещений и деформаций предназначен Ш 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 набор из 1024 фотоэлементов,

излучатель

тень

приемник

Рис.2. Схемы действия оптоэлектронных датчиков: а) для измерения статических смещений; б) для измерения деформаций.

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

о

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 теш: ог шторки в потоке инфракрасного излучения источника. Деформация контролируемого объекта вызывает шигпашю штиксння тени относительно приемного элемента, что приводит к изменению выходных сигналов с приемника.

Для функционировать Изл!ерительно-Еычнсл1ггелы1ого комплекса езтором 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 типа, "элементарными" носителями которых являются геоблохи 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 мюзду внутрндеформацнонными и динаыико-кияематичсскими характеристиками блоков в приближении "абсолютно" твердых тел - носителей маятниковых волн. Эксперименты проводились на пяти моделях (рис.3), 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".

Обработка аналоговых сигналов производилась с использованием быстрого преобразования Фурье (БПФ). В качестве источника импульсных воздействий применялись стальные шарики массами 114 и 226,9 г. а также

у л

„ . , 11ЭД_»

ЩГ7

г:

№1

Ж

г

•1

•2

•3

• 4

■ 5

ХО

85

№2

(6)

стальной боек массой 82,71 г.

Анализ большого числа полученных акселерограмм и вычисленных спектрограмм показывает, что если хп}иис-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 принципиально иной ситуацией сталхиваемся 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 /1 подчиняются отношениям:

/? = «'*/,,;< = 0,1,2,...; (1)

№3

№№4.5

-+85

(а)

Рис.3. Структура моделей, использованных при физическом моделировании.____

/Г = —Г х /о , а

1,2,...;

(2)

где а = <¡2; /0=КР/2А - основная собственная частота блока; Д - линейный размер блока (в кубическом приближении); Кр - скорость продольных волн.

И

ЧОЙ>

#

-4СЮ0-

'Ж^Мл*

Точка 1

Точка 2

Точка 5

1 г. 3

длительность 4 мсек

Точка (

Тсука 2

) зл>

о 100 с

5 юз

? 0 Хгсо-

«ю

о

«о-

«о

Л"'7 Точка 3

-----Л" 1 гт -V--------

...........

Точка 4

Г

----i\iжl

Точкаб

(IV

А

од

ш 15 го

частота кГц

и

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

5

5 10 15

длительность Г, мсек

Рис.5. Записи волновых пакетов и соответствующие им спектрограммы для блочной модели (модель №5, ось X, IV = 15мДж).

Причем, трансформация спектра 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 ((»подчиненность 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 Л от импульсных источников могут быть введены вполне конкретно по размерам. Так, в качестве "ближней" зоны от источника импульсного воздействия можно рассматривать область, ограниченную двумя Д (на первых двух блоках доминируют высокочастотные составляющие спектра); "средней" - область, ограниченную расстояниями от двух до трех Д (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 блохов 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.

1А

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

(3)

где/ иА (/")-соответственно частота и амгшпуда гармоник спектрального образа аналогового сигнала.

В качестве меры энергетического воздействия на блочную систему

использовался параметр {Г

Л/К/ '

(4)

где IV-энергия импульсного воздействия; М- масса одиночного блока; скорость продольной волны в блоке. Зависимость параметра х от энергии возбуждения приведена на

рис.6.

и-

£ ,

Анализ графиков ка этом рисунке позволяет заключить, что с увеличением энергетической характеристики импульсных воздействий к первые признаки формирования низкочастотной волны (обозначим ее ¡л - волна)

0,01

«и

1 \ЧД* наблюдаются лишь при к £ в) х

.......................................................................к............ 10" (0 , £ 4 ). Ярко выражен-

Рис.6. Зависимость параметра ? от энер-' ,

„ , п/ * ной начальная фаза этой волны

гии возбуждения IV для каждого блока! ^

¡блочной структуры. ___________ _________ | становится при энергиях IV, соответствующих к £ в2 х 10"*, в2 е 1 4. При к = 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-

дзтельствует локальный минимум параметра т на риз. 6 по всем блокам блочной модели. При дальнейшем увеличении зигрпш импульсных воздействий происходит процесс перераспределения возрастающей знерпш от внешних импульсных воздействий в пользу высокочастотных составляющих волнового пакета. Анализ графиков на риг.7 зволюцли волкозаго пакета и его спектра в зависимости от импульсной энергии похазыгсст, что дшодшка роста высокочастотных состазлашщнх волпегого пакета более чем на порядок превышает динамику роста низкочастотных состазлдшцнх этого хх пакета.

Для доказательства положения о том, что геоблоки при импульсных воздействиях двигаются как "целое", использовалась оптоэлектронная система для нзмерешШ абсолютных смещений и деформаций, описанная но второй главе. Полученные результаты представлены на рис.8. Как видко из представленных графиков, блоки в составной модели обладают колебательными затухающими движениями сак "абсолютно" твердые тела по типу физических маятников с амплитудами достигающими 30 мхм (Ац г 3 х 10"5 м). Однако спектр этих колебаний на порядок ниже, чем для низкочастотной части спектральных пакетов, регистрируемых акселзромстрами. 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 (// - 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 соподчиненности их спектров /, по модулю (л/г)':

S 10 15

длительность t, «сек

»•fr

И--

1 055»

и у., ,„, , , ,

4 £ S 10 (2 частота /, кГц

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

10 20 длительность (мсек

зо

5о 100 но частота /, кГц

Рис.8. Смещения блоков в вертикальном направлении и их спектры при энергии возбуждения №' = 41,1 мДж.

Т,=}Щ. 1 = 0, ±1,±2,.... (5)

где У, = Ур12А, Ур - скорость продольной полны в блоках; Л- характерный размер блоков. Формула (5) дана в векторном представлении

/=(/„/,,/,); д = (д1,а7,а,); (6)

(д; у, г) - ортогональные направления для поверхностей блоков.

Действие условия католической соподчннепностн спехгра в волновых пакетах /л - волн при определенных урознях зиергетнчестгнх воздействий мозгет приводить к проявлению эффекта аномально шпхсго трети мкзду взаимодействующими блохами в ортогональных к лапши действия внешнего импульса направлениях (подробно рассматривается в главе 5).

Четвертая глаза посвящена обработке результатов натурных экспериментов. Основной целью проделанной здесь работы являлся анализ выборочных сейсмограмм от серии взрывов в натурных условиях (Талнахехо-Охтябрьское и Таштагольское местровдения), записанных на сравнительно небольших удалениях от очаговых зон в рудном и закладочном массивах, с позиций выделения ц - волновых пакетов и их гесмеханической интерпретации на базе результатов физического моделирования. С этих ек позиций был проанализирован и горный удар, записанный на Таштагольском место-ро;:сденин.

- 1СС0 -----

01 й -язи .1500

. ...

Самый общий анализ структуры спектрального наполнения записанных сейсмограмм (для примера на рпс.9 приведен типичный график), характера :гх зяолго-

2® <м «в юо 111511 П0 мерз Удаления от очаговых длительность I ысис ^ и с у,,^,, ^ульттпов физ:1.

Рис.9. График скорости смещения (в мВ) в рудном массиве от технологического взрыва. _ _

ческого моделирования (гл.З), позволяет захлючгпъ, что в данных

условиях (по существу - в ближней и переходной зонах) производится типичная ситуация формирования волн 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 акализирозать отдельные гармошки на сейсмограммах с позиций размера носителей (геоблоков) маятниковых волн согласно формуле (5). Следует особо акцентировать внимание на том, что именно резонансный механизм возникновения воли маятникового типа позволяет установить по сути однозначную связь между величиной "работающих" блоков (носителей р - волн), их механическими модулями, входящими в выражение 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 ц - 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 Уг(р) = 4000 м/с, а в закладке -Уг(з) = 3000 м/с выполните соотношения:

= ^тт (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 /л - волнового пакета (трансляционная ком-

20

понента) В.Н.Опариным было предложено дифференциальное уравнение затухающего осциллятора (маятника), решение которого позволяет аппроксимировать наиболее высокоэнергоемкую часть записи пакета ц - волны с основной несущей гармоникой /„ в виде косинусоиды, вписанной в "рупор" (рис. 10а ). Из этого графика можно оценить коэффициент межбло-козого трения для Д - носителей - волны по точке пересечения , г., линий границ рупора с осью абсцисс т (в системе координат "амплитуды пакета ц - волны" - "время 1 = 1-1,"):

X

г.

(8)

Использовать данную формулу удобно для обработки записей пакетов /л - волн с одним ярко выраженным носителем д - геоблоками некоторого определенного иерархического уровня.

Анализ ссйсмо1рамм горного удара и технологического массового взрыва на горизонтах 140 м и - 215 м рудника Таштагольскнй с использованием приведенных выше вы-

~=^t-t<l

следующие оценки. Для ГрисЛоГТипопыесейсмограм-

горного удара (рис. 106) параметр т, [мы волн маятникового типа:

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

<р,= 22°. Основная несущая частота /0 И" запись горного удара;

:(в) - запись технол. взрыва.

для волнового пакета равна примерно и ~ ------ -...........................

5 Гц . Этой частоте отвечает работа геоблоков Д 2 26,5 м. Для массового взрыва (рис. 10а) параметр т. оцешшается величиной порядка 1.22 ссх, откуда следует, что угол трсиия <рж = 36°. Основная несущая частота /0 = 2.5 Гц, что соответствует работе геоблоков Д = 53 ы.

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 удароопасноеш 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 отмечен 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 н стстпадкху пр^бл:скенин) на исследуемый блок; 2) роль временного интервала задержки между импульсными воздействиями на блочную структуру и на исследуемый блок.

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

На втором этапе исследований регистрировались смещения этого блока при совместном действии статической горизонтальной силы Р и вертикального импульсного возбуждения ^(рнс.11). ^ ч^------ Из анализа полученных

V

.42 нД«

я // аэ2ид* графиков з сравнении с

5 га ..........-..... у/..............

40

го -•

2 2^5 2£ 2,75 горизсктилъная сняв Г. а

8 9 10 11 12 13 14 15 16

горизонтальная сила Г. *т

данными первого этапа исследований еидно, что действие импульсного возбуждения на блочную среду прхгаодпт к сущесг-(») венному "выигрышу" в

эв«д* сиговых характеристи-'^вкд* ках для осуществления

2А/а22ид* процессоз сдвижйшя блоков в стесненных условиях. Например, при энерпкх !УВ ~ 42 мДж смещение с! = Юмкм происходит у:::е при Р= 1,75 кг (ркс.11а), в то врем? как Л0 = 6,6 кг.

Общими свойствами при в еле иных на

Рис.11. Зависимость поперечных смещений 'блока .№3 при совместном действии статического горизонтального усилия /'"и вертикального импульса энергией .%(а - Для блочной 'модели из оргстекла, б - для блочной модели ; из силикатного кирпича). рис.11 графиков являются: 1) практически монотоннее созрг.спппге сдвиговых значений " работающего" блока по мере увеличения энергии серти-кального импульса 7/а для фиксированных горизонтальных усилий Р, 2) зависимость, близкая к параболической, относительно возра< ания сдвиговых значений с! "работающего" блока по мере увеличения бокового

(горизонтального) усилия /Г. 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 иа 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 -¿2 в шкале относительной временной задержки вертикального и горизонтального импульсных воздействий, хотя энергетические характеристики импульсных воздействий существенно разнятся; 3) оперирование со средними значениями ^ при действии двух ортогонально действующих импульсных возбуждений без учета временной задержки между этими возбуждениями может приводить к неоднозначным заключениям по характеру связи реальных смещений с! 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-иерархнческим строением.

Основные научные и практические результаты работы заключаются в следующем:

- экспериментально доказано 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 волновых пакетов в блоках массивов подчиняется закону канонической соподчн-ненности их спектров /( по модулю (Тг)' :

/= 0, ±1, ±2,...,

где /0 -= Ур/2А, 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 трения /р.;

- установлено, чю 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 блоха (его смещения) в блочной системе при действиях импульсного созбухдошш на эту систему и ортогонального к нему импульсного возбуздышя на данный блок, зависит от временной задержки канонического типа по модулю (V2)' между этими возбуждениями.

- в экспериментальном исследовании эффекта аномально низкого трения между 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^. // 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 Tima. Ч. П: Методика экспериментов и основные результаты физического моделировшшя. //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 ано\.ллыю низкого трения. //ФТПРПИ, Новосибирск, 1997, №1, с.3-16;

6. А.с. №928283 СССР, МКИ G01V1/30. Устройст во для решс^ацин сейсмической информации. / Сбоев В.М., Востриков В.И., (СССР), 4с.< пл.;

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

8. Сбоев В.М., Востриков В.И. О динамике горного толчка на подземном горном предприятии. // Физические свойства пород в массиве. / Сб. нв-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. Методика выполнения сейсмоакустических измерений. // Методология и технические средства определения напряжений в горном 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 международной конференции по механике горных пород. / М., 1993.

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

Z7