Определение остаточных и действующих напряжений поляризационно-акустическим методом

Размещено на http://www.allbest.ru/

Определение остаточных и действующих напряжений поляризационно-акустическим методом

К.Т. Тажибаев, д-р техн. наук, профессор, заведующий; Д.Д. Тажибаев, канд. техн. наук, заведующий лабораторией; М.С. Акматалиева, научный сотрудник Институт геомеханики и освоения недр НАН КР

Аннотация

В статье рассмотрены условия формирования остаточных напряжений в горных породах. Показано, что зоны концентрации остаточных напряжений, в активных разломах, магматических горных породах, являются потенциальными очагами горных ударов и тектонических землетрясений. Представлены результаты определения остаточных и действующих напряжений в горных породах поляризационно-акустическим методом, основанным на закономерности изменения относительной величины скорости прохождения ультразвуковой поляризованной сдвиговой волны от механического напряжения.

Ключевые слова: горная порода, деформация, напряжение, остаточное напряжение, волновой модуль напряжения, поляризованная волна, горный удар, удароопасность.

 Остаточные напряжения оказывают существенное влияние на процессы деформации и разрушения, а также на прочность и деформационные характеристики твердых материалов, в том числе горных пород. В хрупких и полухрупких материалах, особенно в горных породах остаточные напряжения провляются более интенсивно, чем в пластических материалах, где, например, аномальные деформационные изменения из-за неоднородных остаточных напряжений при нагружениях перекрываются значительными пластическими деформациями, и эти аномальные изменения в обшей деформации становятся практически не заметными. В то же время при неоднородных упруго -- пластических деформациях, пластические деформации создают условия для формирования остаточных напряжений в форме упругих деформаций, сохранивщихся в виде потенциальной энергии внутри зон этих необратимых деформаций.

Остаточные напряжения в магматических горных породах формируются в большей мере вследствие неравномерного остывания высокотемпературной расплавленной магмы (эффузивные и интрузивные магматические горные породы), а в гидротермальных и метаморфических породах -- под влиянием высоких температур имеющих место в недрах. Остаточные напряжения магматических горных пород следует назвать генетическими, а метаморфических - наведенными остаточными напряжениями.

Установлено, что зоны высокой концентрации остаточных напряжений, имеющих место в активных разломах и их перифериях, магматических горных породах, в контактных зонах метаморфических и гидротермальных пород, являются очагами горных ударов и тектонических землетрясений. При нарушении равновесного состояния высоких остаточных напряжений, так называемыми триггерными силами, происходит самоподдерживающееся динамическое разрушение горных пород, обуславливая сильный горный удар, а в более крупном масштабе тектоническое землетрясение [1,2,3]. Поэтому одна из важных проблем геомеханики - это достоверное и надежное определение напряжений в горных породах.

Удароопасные участки массива - это участки где имеются напряжения, сопоставимые с прочностью горных пород. В практике горного производства достигнуто, что определяя удароопасные участки массива горных пород исследователи могут обеспечивать не только прогноз, но предотвращение сильных горных ударов путем разгрузки опасных напряжений в этих участках камуфулетными маломощными взрывами [4,5].

Существующие методы определения напряжений, в том числе остаточных весьма трудоемкие и имеют не высокую точность. По своей природе остаточные напряжения неоднородные, а гланое, структурно связанные до уровня кристаллической решетки, вследствие чего при известных методах разгрузки, требующих образование новой поверхности путем бурения шпура или скважины, остаточные напряжения, из-за их внутренней структурной связанности, разгружаются не полностью.

Результаты исследования. Экспериментальными исследованиями была показана возможность определения остаточных и действующих напряжений в твердых материалах, в том числе горных породах на основе закономерности изменения относительной величины скорости прохождения ультразвуковой поляризованной сдвиговой волны от механического напряжения в твердых материалах (закон Кушбакали) по следующим формулам [6,7]:

;; (1),

где , , -- компоненты нормального напряжения по направлению X, Y, Z соответственно; K_X, K_Y, K_Z - волновой модуль напряжения (название модуля наше) по соответствующим направлениям (для квазиизотропных горных пород K_X= K_Y= K_Z = K) ; V_SX, V_SY, V_SZ - скорости распространения ультразвуковой поперечной поляризованной волны через представительную базу напряженного (нагруженного или с остаточными напряжениями) материала по соответствующим направлениям; V_SOX , V_SOY , V_SOZ -- скорости распространения ультразвуковой поперечной поляризованной волны по направлениям X, Y, Z соотственно при отсутствии напряжения (не нагруженное состояние, без остаточных напряжений).

Из формулы 1 следует, что для определения напряжения необходимо измерить скорость поперечной поляризованной ультразвуковой волны для не нагруженного (при отсутствии остаточных напряжений) и нагруженного состояния, затем определить их относительную величину. Для определения волнового модуля напряжения из формулы 1 введем следующее обозначение:

; ; (2)

При этом из формулы 1 следует, что показатель определяет величину и знак напряжения, в том числе остаточного и поэтому данный показатель назвали акустическим параметром напряжения (остаточного или действующего). Например, при V_SOX / V_SX >1 знак напряжения положительный, то есть напряжение растягивающее и т.д. Равенство нулю параметра означает отсутствие действующего или остаточного напряжения.

В соответствии с обозначением 2 из формулы 1:

; ; , отсюда

; ; (3)

На основе формулы 1 вначале определяют изменение относительной величины скорости ультразвуковой поляризованной поперечной волны от напряжения твердого материала и среднее значение величины волнового модуля напряжения материала по формуле 3. Затем по соответствующим направлениям определяют остаточное или действующее напряжение.

Знаки остаточных или действующих напряжений определяются согласно знакам акустического параметра и волнового модуля напряжения.

Известно, что действующее напряжение, измеренное в породном массиве, в определенных участках может содержать и остаточные напряжения. Поэтому, при их наличии, остаточные напряжения детально исследуются и отдельно определяются в лабораторных условиях на основе измерений скорости ультразвуковой поляризованной поперечной волны в свободных от внешней нагрузки представительных кусках (образцах) горной породы, отобранных из мест измерения действующих напряжений.

На основе формулы 3 значение волнового модуля напряжения материала (К) определяется в лабораторных условиях, используя призматического образца, его ступенчато нагружая, при одновременном измерении скорости поперечной поляризованной ультразвуковой волны для каждого уровня нагрузки (рисунок 1).

На рисунке 2 в качестве примера представлены результаты определения волнового модуля напряжения для образца гранодиорита (Германия, Саксония). На рисунке 3 представлены результаты определения остаточных напряжений горных пород месторождений Кумтор и Ингичке (Кыргызстан, Узбекистан).

Сравнивая приведеные на рисунке 3 графики остаточных напряжений можно отметить, что в образце мраморизованного известняка месторождения Ингичке (зависимость 2) практически остаточные напряжения отсутствуют, а в образце метасамотита Кумторского месторождения (зависимость 1) имеются существенные сжимающие и растягивающие остаточные напряжения.

Рис. 1. Нагружение (на прессе ЦДМ-100) и прозвучивание (УК-10 ПМ) призматического образца

Рис. 2. Зависимость волнового модуля напряжения от нагрузки одноосного сжатия (гранодиорит, Германия, Саксония)

На рисунке 4 в качестве примера приведены результаты определения действующих (в образце) напряжений по формуле 1 (зависимость 2) и сравнения величин напряжений, установленных по силоизмерителю нагружаюшего пресса (зависимость 1).

Рис. 3. Графики остаточных напряжений для разных направлений в образцах горных пород (1-метасамотит, скважина Д780, Кумтор; 2- мраморизованный известняк, Ингичке, обр. 1)

Рис. 4. Графики действующего напряжения образца от нагрузки при одноосном сжатии (мрамор тонкозернистый Токтогулский, призма, обр. 1-5, нагружение, 1-график напряжения по силоизмерителю, 2- график напряжения по поляризационно-акустическому методу).

Из рисунка 4 видно, что данные действующего напряжения, полученные поляризационно-акустическим методом (по формуле 1) и прямым измерением по силоизмерителя достаточно хорошо согласуются между собой.

Установлено, что в метасамотитах, отобранных из рудной зоны месторождения Кумтор, имеются значительные как сжимающие, так и растягивающие остаточные напряжения, сопоставимые с прочностью данной разновидности горной породы. Следует отметить, что в пределах объема образцов неоднородные сжимающие и растягивающие остаточные напряжения взаимно уравновешивая друг друга, обуславливают равновесное состояние.

Результаты определения поляризационно-акустическим методом действующего напряжения, созданного в образцах путем его одноосного статического сжатия гидравлическим прессом, и данные прямых измерений действующих напряжений, полученные с учетом показаний силоизмерителя, достаточно хорошо согласуются между собой.

порода напряжение ультразвуковой поляризованный

Библиографический список

1. Тажибаев К.Т. Условия динамического разрушения горных пород и причины горных ударов. - Фрунзе: Илим, 1989. - 179 с.

2. Тажибаев К.Т. О причинах и механизме горных ударов и землятресений / Исслед., прогноз и предотвр. горных ударов // Матер IX Всес.конф. по механике горн.пород. - Бишкек. - 1991. - С. 139-167.

3. Тажибаев К.Т. Напряжения, процессы деформации и динамического разрушения горных пород. В двух томах. Т. 1. -Бишкек: Издательство “Алтын Принт”, 2016. - 352 с.

4. Инструкция по безопасному ведению горных работ на шахтах, разрабатывающих пласты, склонные к горным ударам. - Л., ВНИМИ. 1981, 22 с.

5. Винокур Б.Ш., Неупокоев В.А., Сысолятин Ф.В. Способ предотвращения горных ударов. / Авторское свидетельство СССР. № 12089273, 1984.

6. Тажибаев К.Т., Акматалиева М.С., Тажибаев Д.К. Способ определения остаточных и действующих напряжений в твердых материалах / Патент Кыргызской Республики: № 1826, зарегистрировано в Государственном реестре изобретений Кыргызской Республики 29.01.2016 г.

7. Тажибаев К.Т., Тажибаев Д.К., Акматалиева М.С. Закономерность изменения относительной величины скорости прохождения ультразвуковой поляризованной сдвиговой волны от механического напряжения в твердых материалах (закон Кушбакали) /Диплом № 453 на научное открытие от 3 октября 2013 года, г. Москва. Международная академия авторов научных открытий и изобретений, Российская академия естественных наук. //Научные открытия -2013. Сборник кратких описаний. - М.РАЕН, 2014. - С. 48-50.

Размещено на Allbest.ru