диссертация (1097841), страница 29

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 29)

В качестве основного инструментаиспользуется программно-управляемая электрогидравлическая система INOVA[Патонин, 2006], позволяющая проводить полномасштабные эксперименты поизучениюпроцессовразрушениягорныхпород.Высокоточнаясистемарегистрации различных физических параметров, таких как нагрузка, осевая ирадиальная деформация, скорости упругих волн, волновые формы АЭ, делают веськомплекс уникальным исследовательским инструментом, не имеющим аналогов вРоссии. Программа управления позволяет контролировать ход эксперимента вавтоматическом режиме. Имеется возможность задавать практически любой режимиспытаний, включая программируемое модулирующее воздействие. Техническиехарактеристики комплекса INOVA вынесены в Приложение 3.Длярешениявоздействияназадачизмененияисследованиявлиянияслабогонапряженно-деформационныхпериодическогоиакустическиххарактеристик материала применяется режим дополнительного модулирующеговоздействия.Всилуспецификисистемыуправленияпрессомнаиболееэффективным является режим модулирующего воздействия в виде меандразаданнойамплитудыичастоты.Модулирующеевоздействиеприэтомнакладывается на фоновую деформацию (создаваемую в режиме с постояннойскоростью деформации).

Минимальная амплитуда модулирующего воздействияравна одному уровню шага генератора (то есть 0.244 мкм). Для испытаний вусловиях одноосной деформации (без камеры всестороннего сжатия), дляпесчаников средней зернистости (0.3 − 0.5 мм) и высоте образца 60 мм предельнаяосевая деформация составляет примерно 0.5 мм или 0.8 %. При этом минимальнаявеличина периодической относительной деформации, соответствующей одномушагу генератора G = 0.244 мкм, составляет 0.0004 %.Полученное соотношение между фоновой и периодической деформациямиможет достигать трех порядков на стадии предразрушения образца. Это позволяетвыйти на более низкий энергетический уровень внешнего модулирующеговоздействия по сравнению с описанными в литературе, который соответствуетвоздействиямземныхприливовназемнуютектоническими и приливными деформациями.корупопропорциимежду190Использованные материалы.

Для проведения испытаний на системе INOVAизготавливаются цилиндрические образцы горных пород высотой 60 мм идиаметром 30 мм (Рисунок 5.1). В качестве основного исходного материала былиспользован кварцевый песчаник Bentheimer с пористостью 23%. Такой выборобусловлен в первую очередь тем, что материал с равномерной мелкозернистойструктурой создает в процессе разрушения стабильный и интенсивный потоксобытий акустической эмиссии.

Это дает возможность для дальнейшегостатистического анализа событий на всех стадиях нагружения образца.Рисунок 5.1 - Слева: используемые в экспериментах образцы песчаника.Справа: характерный вид образца, разрушенного в ходе эксперимента.Режим испытаний. В качестве основного был выбран режим осевойдеформации с постоянной скоростьюd, равной 4∙10-7 с-1 (корректнее говорить оdtступенчатом деформировании на 4∙10-6 каждые 10 с), на которую накладывалосьмодулирующее воздействие заданной амплитуды и частоты (Рисунок 5.2).Модулирующее воздействие выбрано в виде меандра с периодом T = 60 с.Проведено четыре эксперимента с различной амплитудой меандра по деформацииA = (2 … 16)10-6.ЭкспериментыПараметрывелисьдоэкспериментаполногопредставленыразрушениявтаблицеисследуемого5.1.образца.Дополнительно был проведен еще один, более длительный эксперимент сминимально возможной амплитудой меандра A = 210-6 и основной деформацией спостоянной скоростью, равной 0.7∙10-7 с-1 (ступенчатом деформировании на 4∙10-6каждые 60 с), то есть в 6 раз медленнее, чем в эксперименте № 4.191Рисунок 5.2 − Схема проведения эксперимента: медленное деформированиеобразца с постоянной скоростью и наложение периодического воздействия в видемеандра.Таблица 5.1.

Параметры экспериментов по разрушению образцов на установкеINOVA.Номер эксперимента12345Дата эксперимента05-0820084205-0820084106-0820083906-0820083926-022011150.0060.0060.0050.0050.0051.6∙10-5 /0.8∙10-5 /0.4∙10-5 /0.2∙10-5 /0.2∙10-5 /60606060601010101060Максимальное осевоедавление, МПаМаксимальная осеваядеформацияАмплитудадеформации / периодмеандра, сВременной шаггенератора нагрузки, сПервичные результаты испытаний. Во время проведения экспериментовсоздается база данных с результатами всех измерений и записями волновых форм(Рисунок 5.3). В основе методики выделения отдельного события АЭ лежитпороговый алгоритм. Оценивается амплитуда и длительность каждого единичногособытия. Происходит определение энергии и времени прихода каждого события.Разрешающая способность системы выделения отдельных сигналов составляет до4 000 событий в секунду.

Формируется каталог событий с указанием всехопределенных параметров.192Рисунок 5.3 − Пример визуализации результатов одного эксперимента.Представлена информация о нагрузке (кг), задаваемой деформации (в шагахгенератора) и потока акустической эмиссии (количество импульсов в 1 с).Отличие представленных экспериментов от испытаний, проведенных ранеедругими исследователями:(1) − Большинство экспериментов, проведенных в последние десятилетия натерритории России и СНГ (например [Богомолов и др., 2001; Манжиков, 2002;Куксенко и др., 2003]), не обеспечивало стабильность вибрационного воздействия,имитирующегоприливы,достаточнуюдляцелейисследованияфазовыхсоотношений “внешнее воздействие – эмиссионный отклик”.

Точность удержаниязаданных физических параметров системой INOVA, таких как сила и перемещение,на порядок превосходит имеющиеся аналоги и позволяет контролироватьмодулирующее воздействие с высокой точностью, необходимой для решенияуказанных задач.(2) − В 90-ых годах в США [Lockner, Beeler, 1999] моделирование приливов быловыполненонавысокомтехническомуровне,экспериментыуправлялисьпрограммно.

Эффект синхронизации интенсивности акустической эмиссии свнешним периодическим воздействием был выявлен при больших (5 − 10%)вариациях напряжений и деформаций [Ponomarev et al., 2007, 2010]. Однако вприродереальныйуровеньизмененийнапряженногосостояния(глубинамодуляции) составляет доли процентов. К этому стремились авторы [Zhang et al.,1932006], моделировавшие LURR: в их экспериментах, судя по приведеннымграфикам, глубина модуляции по нагрузке достигла 0.3 − 0.6%. В рассматриваемыхв разделе экспериментах удалось достичь меньшего соотношения “периодическаядеформация–фоноваядеформация”−порядка10-3приодноосномдеформировании горной породы, что ближе к природным условиям.5.2 Особенности поведения акустической эмиссиина различных стадиях нагружения образцаФорма нагрузочной кривой для экспериментов №№ 1 − 4 является типичнойдля сжатия горных пород и приведена на рисунке 5.4 для демонстрации положениявыявленных характерных участков напряженно-деформированного состоянияобразца и связанной с ним АЭ.

Времена этих участков приведены в таблице 5.2.3.E+04Нагрузка, Н232.E+041.E+041Разрушение образца0.E+0002000400060008000100001200014000Время, сРисунок 5.4 - Нагрузочная кривая (как характерный пример – для эксперимента№1). Точки 1 и 2 ограничивают линейный участок, соответствующий закону Гука.Точка 3 соответствует началу дилатансии.Все эксперименты велись до полного разрушения образца, котороеидентифицируется по скачкообразному сбросу напряжения (Рисунок 5.5).Наиболеелегковыделяетсянанагрузочнойкривойлинейныйучасток,194Таблица 5.2. Характерные фазы поведения образца в ходе экспериментов.Приведенные времена фаз либо их временные интервалы приведены с точностьюдо целых минут.Номер12345экспериментаВключение режимамодуляции4801801201800(периодическойподгрузки), сЗавершениеинтервала4 6205 2204 4403 12013 980начального ростапотока АЭ, сЛинейный участок6 720 /7 140 /5 280/6 180 /22 020 /нагрузочной кривой1 002010 6207 8608 22042 000(начало / конец), сИнтервалотсутствия8 940 /9 300/5 400 /6 180 /14 460 /синхронизации АЭс модулирующим9 1209 5405 8206 96048 180воздействием(начало / конец), сНачало стадии11 82010 6808 0409 06045 780дилатансии, сВремя разрушения13 98014 22011 82011 52065 520образца, ссоответствующий закону Гука (Рисунок 5.4.

Учитывая постоянную скоростьдеформирования образца и малость модулирующей добавки, замена осидеформации на ось времени не изменит картины в целом). Выполаживаниеначальной части нагрузочной кривой характерно для экспериментов с однооснымнагружением [Смирнов и др., 2010] и объясняется закрытием пор и существующихтрещин, а также переупаковкой минеральных зерен [Лавров и др., 2004]. По мереисчерпания дефектов жесткость минеральной матрицы растет, эффективныемодули увеличиваются вплоть до выхода нагрузочной кривой на прямолинейныйучасток[Hart, Wang, 1995].Точкапереходанапряженно-деформированногосостояния образца в дилатансионную стадию (Рисунок 5.4) определяется, как точкамаксимума в зависимости объемной деформации от продольной (Рисунок 5.5): сэтого момента при продолжающемся осевом сжатии образца его объем начинаетувеличиваться, т.е. наблюдается разуплотнение горной породы.195Объемная деформация, %0.20.150.10.05Начало разуплотнения000.050.10.150.20.250.3Осевая деформация, %Рисунок 5.5 - Зависимость объемной деформации от осевой на примереэксперимента № 5.

Положительной здесь считается деформация сжатия.Во всех рассматриваемых экспериментах во временном ходе числаимпульсов АЭ в единицу времени выделяются этапы (1) начального роста потокаАЭ,(2) последующегоснижения,(3)стабильногоуровняАЭ,(4)экспоненциального увеличения уровня АЭ и (5) максимальных значений АЭ. Нарисунке 5.6 показан пример изменений характера акустической эмиссии,соответствующих этапам (1) − (4).Кумулятивное число импульсов АЭ4.E+043.E+042.E+041.E+040.E+00010002000300040005000600070008000900010000Время, сРисунок 5.6 − Кумулятивное число импульсов АЭ для эксперимента №1.

Стрелкауказывает на точку, перед которой наблюдается повышенные значения потока АЭ,а после которой – его постоянный уровень.196Для выявления эффекта синхронизации АЭ периодическим воздействиемприменялась процедура, основанная на критерии равномерности Рэлея R < Rcr[Чини, 1986], где22 1 R  cos(2ti / T )     sin(2ti / T )  ,n  i  iRcr – критическое значение R с уровнем значимости 0.01. Под равномерностьюздесь понимается равномерность распределения импульсов АЭ по фазе внешнеговоздействия в интервале от 0 до 2. T - период воздействия, ti – времявозникновения i-го импульса АЭ, n – число анализируемых импульсов АЭ.

Характеристики

Список файлов диссертации