Влияние предыстории напряженного состояния горной породы на кинетические параметры акустической эмиссии тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.12 ВАК РФ

ВВЕДЕНИЕ.^

Глава I. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАВИСИМОСТИ КИНЕТИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ АКУСТИЧЕСКОЙ ЭМИССИИ В ГОРНОЙ ПОРОДЕ ОТ ПРЕДЫСТОРИИ ЕЕ НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ.

§ I. Обзор существующих результатов экспериментальных исследований и теоретических моделей кинетики акустической эмиссии (АЭ) в горных породах. £

§ 2. Построение феноменологической модели кинетики АЭ на основе концепций поврежденноети механики деформируемых твердых тел и общих законов эредитарных явлении. . . • Ч

§3. Расчет кинетики АЭ в образцах горных пород при их одноосном нагружении на основе построенной модели. . .Л

Глава П. ЛАБОРАТОРНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ЗАВИСИМОСТИ КИНЕТИЧЕСв КИХ ПАРАМЕТРОВ АКУСТИЧЕСКОЙ ЭМИССИИ В ГОРНОЙ ПОРОДЕ ОТ ПРЕДЫСТОРИИ ЕЕ НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ. . 3J

§ I. Лабораторное оборудование и методика испытаний. . •

§ 2. Кинетика АЭ при неубывающих во времени нагрузках на образец. Определение наследственных и структурночувствительных свойств образца методом АЭ.

§ 3. Кинетика АЭ при циклических нагрузках на образец.

Глава Ш. ВОССТАНОВЛЕНИЕ ПРЕДЫСТОРИИ НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ ГОРНЫХ ПОРОД ПО КИНЕТИЧЕСКИМ

ПАРАМЕТРАМ АКУСТИЧЕСКОЙ ЭМИССИИ.

§ I. Общие свойства циклической памяти в различных по составу и строению горных породах.Ч^

§ 2, Влияние процесса выбуривания образца на свойства его циклической памяти.

§ 3. Практическое определение максимальных напряжений, действовавших в массиве горных пород. •

Общая характеристика работы

Актуальность. Под действием внешних нагрузок в различных по составу и строению твердых телах, в том числе и горных породах, наблюдается явление акустической эмиссии - испускание материалом упругих волн, вызванное динамической локальной перестройкой его структуры. Изучение зависимости параметров акустической эмиссии (АЭ) от параметров действующей в горной породе нагрузки необходимо как для дальнейшего углубления представлений о природе землетрясений, сейсмических шумов и других динамических явлений, набладаемых в горных породах, так и для развития новых методов исследования напряженного состояния земной коры.

Цель работы и решаемые задачи. Экспериментально было обнаружено (§1, гл.1), что зависимость кинетических параметров акустической эмиссии (скорости счета АЭ, активности АЭ и т.п.) от напряженного состояния горной породы имеет эредитарный характер, т.е. эта зависимость определяется не только текущим напряженным состоянием породы, но и предысторией ее напряженного состояния (явление памяти). Основной целью диссертационной работы являлось исследование зависимости кинетических параметров акустической эмиссии в горной породе от предыстории ее нагружения в условиях одноосного сжатия и получение количественных соотношений, позволяющих ставить и решать обратную задачу. Для этого в работе были поставлены следующие задачи.

I. На основании тлеющихся литературных данных построить феноменологическую модель зависимости кинетических параметров акустической эмиссии в горной породе от предыстории ее напряженного состояния.

2. Провести анализ построенной модели с целью определения последовательности дальнейшего экспериментального изучения исследуемой зависимости.

3. Экспериментально изучить кинетику акустической эмиссии при неубывающих во времени нагрузках на образец,

4. Экспериментально изучить кинетику акустической эмиссии при циклических нагрузках на образец.

5. Провести исследования по восстановлению предыстории напряженного состояния образцов горных пород методом акустической эмиссии.

В соответствии с последовательностью решения поставленных задач, диссертация имеет следующую структуру.

В первой главе дается обзор предшествующих результатов экспериментальных исследований и теоретических представлений о зависимости кинетических параметров АЭ в образцах горных пород от параметров нагрузки (§ I). В § 2 разрабатывается феноменологическая модель этой зависимости с учетом ее эредитарных свойств. В § 3 проводится анализ построенной модели с целью определения последоя' вательности дальнейшего экспериментального изучения исследуемой зависимости.

Во второй главе диссертации рассматриваются результаты экспериментального исследования зависимости кинетических параметров АЭ в горной породе от предыстории ее напряженного состояния. В § I описывается лабораторное оборудование и методика испытаний. В § 2 приводятся результаты исследования кинетики АЭ при неубывающих во времени нагрузках на образец. Разрабатывается методика обработки экспериментальных данных по кинетике АЭ с целью количественной оценки способности различного типа горных пород к динамической перестройке своей структуры (излучательной способности). Б § 3 описываются результаты исследования кинетики АЭ при циклических нагрузках на образец; изучаются основные свойства циклической памяти горной породы,

В третьей главе диссертации устанавливается общность этих свойств для различных по составу и строению горных пород (§1). Исследуется возможность практического использования свойств циклической памяти для восстановления предыстории напряженного состояния в массиве горных пород (§ 1,2). В § 3 на основе выявленных закономерностей проводится практическое определение максимальных напряжений, действовавших в образцах керна, выбуренных из массива.

Научная новизна работы заключается в следующем.

1. Построена феноменологическая модель зависимости активности акустической эмиссии в горной породе от параметров действующей в ней нагрузки (напряжения и температуры), с учетом предыстории нагружении.

2. Экспериментально показано определяющее влияние предыстории напряженного, а не деформированного состояния горной породы на кинетические параметры акустической эмиссии.

3. Экспериментально получены закономерности кинетики акустической эмиссии при монотонном во времени нагружения образцов горных пород с различной скоростью приращения напряжений и при циклических нагрузках.

Практическая ценность работы.

Полученные результаты теоретического и экспериментального исследования зависимости кинетических параметров акустической эмиссии в горной породе от предыстории ее напряженного состояния, как показано в работе, могут быть использованы в инженерной геологии и в горном деле для количественной оценки способности различного типа горных пород к динамической перестройке своей структур! под действием внешних нагрузок, а также для количественной оценки величины максимального напряжения, действовавшего ранее в горной породе.

Основные результаты диссертационной работы изложены в /13 ~ И5 /. Большая часть экспериментальных исследований была выполнена на кафедре грунтоведения и инженерной геологии МГУ им.М.В.Ломоносова и в лаборатории динамических испытаний ИПМ АН СССР, по договору о социалистическом содружестве с НПО ЦНИИТМАШ. Автор благодарит Главного конструктора проекта ОНМИМ, НПО ЦНИИТМАШ К.К.Царева, сотрудника кафедры инженерной геологии и грунтоведения МГУ Л.Л.Панасьян и сотрудника лаборатории динамических испытаний ИПМ АН СССР Л.П.Степанова за содействие в работе.

ЗАКЛШЕНИЕ

В ходе исследования зависимости кинетических параметров акустической эмиссии в горной породе от предыстории ее нагружения были получены следующие основные результаты.

1. Построена феноменологическая модель зависимости активности акустической эмиссии в горной породе от параметров действующей в ней нагрузки (напряжения и температуры). Основными элементами этой модели являются: термоактивационный механизм возникновения в горной породе дискретной акустической эмиссии и зависимость ее активности от предыстории нагружения породы.

2. Экспериментально показано определяющее влияние предыстории напряженного, а не деформированного состояния горной породы на кинетические параметры акустической эмиссии.

3. Экспериментально получены закономерности кинетики акустической эмиссии при монотонном во времени нагружении образцов горных пород с различной скоростью приращения напряжений и при циклических нагрузках.

4. Разработана методика обработки экспериментальных данных по кинетике АЭ с целью количественной оценки способности различного типа горных пород к динамической перестройке своей структуры под действием внешних нагрузок и развит способ определения величины максимального напряжения, действовавшего ранее в образце горной породы.

Полученные результаты свидетельствуют о необходимости дальнейшего исследования зависимости параметров акустической эмиссии в горной породе от предыстории ее нагружения в условиях сложнонапряженного состояния.

1. Виноградов С,Д. Акустические наблюдения процессов нагружения горных пород. М., "Наука", 1964, 84 с.

2. Водьтерра В. Теория функционалов, интегральных и интегро-дифференциальных уравнений. М., "Наука", 1982, 302 с.

3. Грешников В.А., Дробот Ю.Б. Акустическая эмиссия. Применение для испытаний материалов и изделий. М., "Стандарты", 1976, 272 с.

4. Драгон А., Мруз 3. Контитуальная модель пластически -хрупкого поведения скальных пород и бетона. В сб. "Механика деформируемых твердых тел. Направления развития". М., "Мир", 1983, с.163-188.

5. Журков С.Н. Проблемы прочности твердых тел. Вестник АН СССР, 1957, В II, с.78-82.

6. Ильюшин А.А., Победря Б.Е. Основы математической теории термовязкоупругости. М., "Наука", 1970, 280 с.

7. Инжевакин И.Е., Станчиц С.А., Фролов Д.И. Использование длительностей акустических сигналов при зарождении трещин для прогнозирования макроразрушения горных пород. В сб. "Физика и механика разрушения горных пород", Фрунзе, "йлим", 1983,с. 54-59.

8. Качанов Л.М. Основы механики разрушения. М., "Наука", 1974, 311 с.

9. Куксенко B.C., Султанов У. Кинетика накопления микротрещин в механически нагруженных горных породах. В сб."Физика и механика разрушения горных пород", Фрунзе, "Илим", 1983,с. 28-35.

10. Куксенко B.C., Мирошниченко М.И., Савельев В.Н. и др. Физические принципы прогнозирования разрушения лабораторных образцов из горных пород. В кн. "Экспериментальная сейсмология", М., "Наука", 1983, с.26-29.

11. Манжиков Б.Ц., Мансуров В.А., Куксенко B.C. и др. Связь между накоплением микротрещин и макродеформацией при одноосном сжатии горных пород. В сб."Физика и механика разрушения горных пород", Фрунзе, "Клим", 1983, с.77-84.

12. Петровский М.А. О зависимости кинетических параметров акустической эмиссии в горной породе от предыстории ее напряженного состояния. Вестник МГУ, сер. 4, Геология, 1984, № 2, с.86-89.

13. Петровский М.А., Панасьян Л. Л. Экспериментальное исследование эффекта Кайзера в горных породах. Вестник МГУ, сер.4, Геология, 1983, 3, с.98-101.

14. Панасьян Л.Л., Петровский М,А. Об использовании эффекта Кайзера для оценки напряжений в горных породах". "Инженерная геология", 1984, lh 2, с. 123-128.

15. Работнов Ю.М. Механизм длительного разрушения. В кн. "Вопросы прочности материалов и конструкций", изд-во АН СССР, 1959, с.5-7.

16. Расчеты и испытания на прочность в машиностроении. Акустическая эмиссия. Термины, определения и обозначения. ГОСТ 2500280. М., Гос.Ком.СССР по стандартам (срок введения с 01.01. 82.), 1981.

17. Регель В.Р., Слуцкер А.И., Томашевекий Э.К. Кинетическая природа прочности твёрдых тел. М., "Наука", 1974, 560 с.

18. Томашевская И.С., Хамидуллин Й.Н. Возможность предсказания разрушения образцов горных пород на основе флуктуацион-ного механизма роста трещин. ДАН СССР, 1972, т. 207, № 3,с. 580-582

19. Хульт Я. Поврежденность и распространение трещин.

20. В сб. "Механика деформируемых твёрдых тел. Направления развития", М., "Мир", 1983, с. 230-243.

21. Brace W.F., Poulding B.W. and Sholts C.H. Dilatancy in the fracture of cristalline rocks. J. Geophys. Res., 1966,v. 71, p. 1939^-1953.

22. Evans A.G. Acoustic emission in brittle materials. Ann. Rev. Mater. Sci., 1977, NS 7, p. 179-208.

23. Kaiser J. Erkentnisse und Folgerunden aus der Messung von Gerauschen bei Zugbeanspruchung von metallischen Werk-stoffen. Arch. Eisenhuttenwesen, 1953, v. 24, p. 43-45.

24. Kurita K., Fujii N. Stress memory of crystalline rocks in acoustic emission. J. Geophys. Res., 1979, v. 6, n2 1,p. 9-19.

25. Mogi K. Study of the elastic shocks, caused by the fracture of heterogeneous materials. Bull. Earth. Res. Inst., 1962, № 40, p. 125-144.

26. Xihg S.P. Characteristics and mechanism of acoustic emission from solids under applied stress. Crit, Revs. Solid State Sci., 1973, v. 4, № 1, p. 85-123.