Геофизический контроль трещинообразования при разрушении флюидонасыщенного угля и горных пород

Досліджено фізико-механічні характеристики гірських порід і вугілля різного ступеня метаморфізму в флюїдонасиченому стані. Діагностика стану виконана комплексом методів – сейсмоакустичного і електрометричного. Встановлено вплив флюїду на зміну міцнісних та деформаційних властивостей геоматеріалу і...

Ausführliche Beschreibung

Gespeichert in:

Bibliographische Detailangaben
Datum:	2012
Hauptverfasser:	Пилипенко, Ю.Н., Дякун, Р.А.
Format:	Artikel
Sprache:	Russian
Veröffentlicht:	Інститут геотехнічної механіки імені М.С. Полякова НАН України 2012
Schriftenreihe:	Геотехническая механика
Online Zugang:	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/54280
Tags:	Tag hinzufügen Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Zitieren:	Геофизический контроль трещинообразования при разрушении флюидонасыщенного угля и горных пород / Ю.Н. Пилипенко, Р.А. Дякун // Геотехническая механика: Межвед. сб. науч. тр. — Днепропетровск: ИГТМ НАНУ, 2012. — Вип. 104. — С. 69-81. — Бібліогр.: 13 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	irk-123456789-54280
record_format	dspace
spelling	irk-123456789-542802014-01-31T03:13:21Z Геофизический контроль трещинообразования при разрушении флюидонасыщенного угля и горных пород Пилипенко, Ю.Н. Дякун, Р.А. Досліджено фізико-механічні характеристики гірських порід і вугілля різного ступеня метаморфізму в флюїдонасиченому стані. Діагностика стану виконана комплексом методів – сейсмоакустичного і електрометричного. Встановлено вплив флюїду на зміну міцнісних та деформаційних властивостей геоматеріалу і параметри руйнування. The physical-and-mechanical characteristics of rocks and coals of different metamorphic grade in fluid-saturated state were investigated. State diagnostics was made by means of seismoacoustic and electrometric methods. The fluid influence on geomaterials’ strength and deformation properties and destruction parameters were determined. 2012 Article Геофизический контроль трещинообразования при разрушении флюидонасыщенного угля и горных пород / Ю.Н. Пилипенко, Р.А. Дякун // Геотехническая механика: Межвед. сб. науч. тр. — Днепропетровск: ИГТМ НАНУ, 2012. — Вип. 104. — С. 69-81. — Бібліогр.: 13 назв. — рос. 1607-4556 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/54280 550.34.016:620.173 ru Геотехническая механика Інститут геотехнічної механіки імені М.С. Полякова НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
description	Досліджено фізико-механічні характеристики гірських порід і вугілля різного ступеня метаморфізму в флюїдонасиченому стані. Діагностика стану виконана комплексом методів – сейсмоакустичного і електрометричного. Встановлено вплив флюїду на зміну міцнісних та деформаційних властивостей геоматеріалу і параметри руйнування.
format	Article
author	Пилипенко, Ю.Н. Дякун, Р.А.
spellingShingle	Пилипенко, Ю.Н. Дякун, Р.А. Геофизический контроль трещинообразования при разрушении флюидонасыщенного угля и горных пород Геотехническая механика
author_facet	Пилипенко, Ю.Н. Дякун, Р.А.
author_sort	Пилипенко, Ю.Н.
title	Геофизический контроль трещинообразования при разрушении флюидонасыщенного угля и горных пород
title_short	Геофизический контроль трещинообразования при разрушении флюидонасыщенного угля и горных пород
title_full	Геофизический контроль трещинообразования при разрушении флюидонасыщенного угля и горных пород
title_fullStr	Геофизический контроль трещинообразования при разрушении флюидонасыщенного угля и горных пород
title_full_unstemmed	Геофизический контроль трещинообразования при разрушении флюидонасыщенного угля и горных пород
title_sort	геофизический контроль трещинообразования при разрушении флюидонасыщенного угля и горных пород
publisher	Інститут геотехнічної механіки імені М.С. Полякова НАН України
publishDate	2012
url	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/54280
citation_txt	Геофизический контроль трещинообразования при разрушении флюидонасыщенного угля и горных пород / Ю.Н. Пилипенко, Р.А. Дякун // Геотехническая механика: Межвед. сб. науч. тр. — Днепропетровск: ИГТМ НАНУ, 2012. — Вип. 104. — С. 69-81. — Бібліогр.: 13 назв. — рос.
series	Геотехническая механика
work_keys_str_mv	AT pilipenkoûn geofizičeskijkontrolʹtreŝinoobrazovaniâprirazrušeniiflûidonasyŝennogouglâigornyhporod AT dâkunra geofizičeskijkontrolʹtreŝinoobrazovaniâprirazrušeniiflûidonasyŝennogouglâigornyhporod
first_indexed	2025-07-05T05:38:30Z
last_indexed	2025-07-05T05:38:30Z
_version_	1836784194371452928
fulltext	69 составляет ar 11 ) от центра скважины, напряжения в слое больше напряже- ния в безграничной среде в 67,2 раза, а на расстоянии 078,1r м a43 , отно- шение напряжения в слое к напряжению в безграничной среде составляет 4,88. Выводы Анализ проведенных расчетов показывает, что качественно картина измене- ния напряжения в слое при удалении от скважины немонотонна. При указанных выше параметрах среды напряжения от поверхности скважины до расстояния 71,0r м спадает монотонно, затем идет возрастание до максимума 51069,1 Па на расстоянии 078,1r м, и далее приближаясь к поверхности слоя, убывает. В то же время в безграничной среде напряжения при удалении от поверхности скважины убывают монотонно и быстрее чем в слое. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. Сницер А.Р. Исследование радиальных напряжений вокруг скважины при гидроимпульсном рыхлении угольных пластов / А.Р. Сницер, В.В. Зберовский, Д.Л. Васильев, А.А. Потапенко, А.А. Ангеловский // Геоте х- ническая механика. Межвед. сб. научн. трудов. – Днепропетровск: – 2011. – № 95. – С. 43-53. 2. Новацкий В. Теория упругости. /В. Новацкий – М.: Мир, 1975. – 872 с. 3. Сницер А.Р. Волны при нормальном гармоническом нагружении скважины в упругой среде. I. Структу- ра волнового поля на поверхности скважины и в дальней зоне. / А.Р. Сницер // Динамические системы. –2006. – Вып. 20 – С. 67-88. 4. Гринченко В.Т. Гармонические колебания и волны в упругих телах. / В.Т. Гринченко, В.В. Мелешко - Киев: Наук. думка, 1978.- 264 с. 5. Градштейн И.С. Таблицы интегралов, сумм, рядов и произведений / И.С. Градштейн, И.М. Рыжик – М: Изд. Физ.-мат. литературы, 1962. – 1100 с. 6. Работнов Ю.Н. Механика деформируемого твердого тела / Ю.Н. Работнов – М.: Наука, 1979. – 744 с. 7. Булычев Н.С. Механика подземных сооружений / Н.С. Булычев – М.: Недра, 1982. –272 с. УДК 550.34.016:620.173 Кандидаты техн. наук Ю.Н. Пилипенко, Р.А. Дякун (ИГТМ НАН Украины) ГЕОФИЗИЧЕСКИЙ КОНТРОЛЬ ТРЕЩИНООБРАЗОВАНИЯ ПРИ РАЗРУШЕНИИ ФЛЮИДОНАСЫЩЕННОГО УГЛЯ И ГОРНЫХ ПОРОД Досліджено фізико-механічні характеристики гірських порід і вугілля різного ступеня метаморфізму в флюїдонасиченому стані. Діагностика стану виконана комплексом методів – сейсмоакустичного і електрометричного. Встановлено вплив флюїду на зміну міцнісних та деформаційних властивостей геоматеріалу і параметри руйнування. . GEOPHYSICAL MONITORING OF CRACK FRACTURE FLUID- SATURATED COALS AND ROCKS The physical-and-mechanical characteristics of rocks and coals of different metamorphic grade in fluid-saturated state were investigated. State diagnostics was made by means of seismoacoustic and electrometric methods. The fluid influence on geomaterials’ strength and deformation properties and destruction parameters were determined. Охрана труда на шахтах связана с разработкой технических решений, направленных на нейтрализацию ухудшающихся горно-геологических условий 70 добычи угля на больших глубинах. Почти половина несчастных случаев проис- ходит при обвалах и обрушениях кровли горных выработок, выбросах угля и газа, возникновении эндогенных пожаров, сопровождающихся взрывами мета- на. Для обеспечения эффективности и безопасности ведения горных работ необходимо получение надежной и достоверной информации о структуре, свойствах и состоянии углепородного массива[1-4]. Однако, регламентирован- ный нормативными документами [5, 6] прогноз выбросоопасности в очистных забоях затрудняет определение границ опасных зон за пределами контура вы- работок. Кроме этого активное применение опережающей дегазации при добы- че угля влияет на результаты текущего прогноза, по которому уже сложно су- дить о потенциальной опасности углепородного массива. Цель работы- разработка метода многоканального сейсмоакустического контроля, обеспечи- вающего получение достоверной, непрерывной и оперативной информации о состоянии массива, позволяющей автоматизировать регистрацию и обработку сигналов при развитии процесса трещинообразования. Одной из ключевых проблем при его использовании является выбор информативных параметров, их совместное применение и комплексная интерпретация [7, 8]. Методом многоканальной сейсмоакустики изучались параметры сигналов, генерируемых при разрушении угля и горных пород, возникающих в процессе их нагружения на различных прессах. Устанавливались пространственные и временные распределения источников импульсов при образовании трех видов трещин: сдвиговых, сколовых и Ределя, оценивалась возможность определения очагов трещинообразования их параметров в ходе деформирования и разруше- ния в зависимости от флюидонасыщенности геоматериала. Для эффективного контроля процесса трещинообразования обобщены и приняты основные и вспомогательные параметры акустической эмиссии, по ко- торым выполнялась параметризация импульсов при разрушении угольно- породной среды. На рис. 1. представлена форма импульса и формализованы информативные параметры для получения численных значений. Аmax – максимальная амплитуда импульса, В, tимп – длительность импульса, мкс, tн – время нарастания импульса, мкс, tф – длительность фронта импульса, мкс, kФ – крутизна фронта акустического импульса, В/мкс Рис. 1. – Информативные параметры сейсмоакустических импульсов, генерируемых при А t 71 разрушении образцов геоматериала Параметризация сигналов выполняется по кривым записи сейсмоакустиче- ских событий с временной привязкой к ходу горных работ или этапов разруше- ния образцов геоматериала. По результатам измерений составлялись таблицы с указанием времени испытаний, наименования геоматериала, размах импульса и масштабный коэффициент N/M, выбранный интервал импульса от начала за- писи до окончания t, t0, tост, привязка данных к диаграммам напряжение- деформация, напряжение-время и т.д Для приема акустических импульсов были применены три вида датчиков: миниатюрные микрофоны, пьезокерамические и пьезоэлектрические преобразо- ватели сигналов. На рис. 2 представлены амплитудно-частотные характеристики трех типов датчиков. По ним определяются частота, полоса пропускания, значе- ния нижнего и верхнего пределов измерений при допустимых нелинейных ис- кажениях. Динамический диапазон каждого датчика определяется собственными шу- мами и частотной полосой предусилителя, и регламентируется верхним и ниж- ним пределом допустимых искажений сигнала, которые в большинстве случаев составляют не более 3 % [9]. Технические характеристики датчиков представлены в табл. 1. Как следует из приведенных данных, максимальной чувствительностью (ко- эффициентом преобразования в амплитудное значение по напряжению) облада- ют датчики микрофонного типа, но неравномерность частотной характеристики вносит существенные искажения в измерение амплитуды сейсмоакустиче- ских (СА) импульсов. Достаточно высокие показатели имеют пьезоэлектриче- ские преобразователи, однако требуют высококачественного усиления сигнала. Промежуточными данными обладают пьезокерамические преобразователи, од- нако требуют применения предварительных усилителей с большим коэффици- ентом усиления в широком частотном диапазоне. a – микрофон СММ-14, б – пьезоэлектрический преобразователь П113-(06-1,0), в – пьезокерамические преобразователи Р2Т-3. Рис. 2. – Амплитудно-частотные характеристики датчиков для регистрации сейсмоакусти- ческой эмиссии 72 Таблица 1 – Технические характеристики датчиков для регистрации сейсмоакустической эмиссии Тип датчика Коэффициент преобразования по напряжению, мВс2/м Рабочий диапазон частот, Гц Соб- ствен- ная ча- стота, кГц Неравномер- ность частотной характеристики, дБ Масса, кг Микрофон СММ-14 250 14 60 – 9600 0,18 18 0,009 Пьезоэлектриче- ский преобразова- тель П113-(06-1,0) 18 0,8 20 – 200000 160 0,3 0,035 Пьезокерамические преобразователь Р2Т-3 8,25 0,035 20 – 400000 50 0,9 0,029 Выбор диапазона частотных спектров и типа фильтров. Разрушение об- разцов угля и горных пород сопровождается генерированием акустической эмиссии с различным уровнем амплитуд и частотного спектра. Так, разрушение угля происходит с генерированием спектра частот от единиц Гц до 6-8 кГц, а прочных разновидностей песчаника и известняка – до 150-200кГц. Уровень ге- нерируемых частот при разрушении зависит от скорости нагружения образца, вида испытательного оборудования и прочности межмолекулярных связей гео- материала. В табл. 2 представлен частотный спектр импульсов при разрушении осадоч- ных пород Донбасса. Таблица 2 – Диапазон частот, генерируемых при разрушении геоматериала Наименование геоматериала Диапазон частот АЭ, Гц Относительная ам- плитуда АЭ, % Энергетический диапазон излучения, отн. ед. Уголь Г-Д К Ж А 100 – 11000 60 – 6000 80 – 5600 190 – 10000 18 – 26 12 – 19 14 – 20 23 – 28 6 – 15 7 – 18 5 – 12 30 – 42 Аргиллит 80 – 7500 15 – 25 Алевролит 120 – 10000 16 – 31 41 – 50 Песчаник 250 – 20000 29 – 37 60 – 81 Известняк 150 –15000 27 – 38 75 – 96 Как следует из таблицы, чем выше энергетический диапазон излучения, тем выше частота акустической эмиссии, поэтому изучение акустических парамет- ров при разрушении геоматериала выполнялось избирательно – для каждого ли- тологического типа было применено отдельное оборудование и аппаратурное обеспечение контроля трещинообразования. Для угля использован пресс с ми- нимальными показателями усилия ПСУ-5, 10 и 20 т. Для образцов, состоящих из комбинированных проб: алевролит-уголь-алевролит, песчаник-уголь-песчаник применялось более мощное прессовое оборудование П-50. Аналогичный подход 73 использован и в отношении диагностики процесса разрушения. Для прочных разновидностей песчаника, известняка, алевролита, аргиллита использовалась система контроля, базирующаяся на основе комплекса АФ-15 и цифрового реси- вера. Корректировка амплитудно-частотной характеристики выполнялась эква- лайзером цифрового ресивера, а подавление помех и избирательные измерения СА сигналов проводились с помощью частотного фильтра ОСК-400-06-15, кото- рый входит в комплект АФ-15. При выполнении специальных измерений ча- стотные спектры устанавливали в узкой полосе пропускания, чаще всего в диа- пазоне 20-45 кГц. Исследования сейсмоакустической эмиссии и условия регистрации сигналов. Проявление сейсмоакустических эффектов при механическом нагружении пород изучали в следующих вариантах: – одноосное нагружение на прессах П-5,10,20,50; – объемное сжатие (моделирование поведения пород в нетронутом массиве, а также при наличии тектонических полей напряжений); – трехосное неравнокомпонентное сжатие с одной свободной гранью (моде- лирование поведения пород при подходе и переходе очистными выработками зон с нарушенной структурой угольного пласта); – малоэнергоемкие воздействия в виде циклических нагружений. Исследование разрушения угля и горных пород при различных режимах нагружения проводилось с применением жестких испытательных систем на ба- зе пресса ПСУ-500 с непрерывной регистрацией напряжений и деформаций на двухкоординатных самописцах ПДС-021М. Объемное сжатие создавалось спе- циальным устройством бокового подпора образцов (бустера) с усилием до 20 кН. Контроль осуществлялся электрометрическим и ультразвуковым методами с помощью ультразвуковых датчиков и токосъемных электродов. Питание из- лучателя осуществляется генератором прибора ДУК-13, а регистрация акусти- ческих сигналов анализатором спектров СК4-59, электрических – прибором Импульс, соответственно. При объемных испытаниях СА датчик крепился на плашку бустера. Для изучения динамики разрушения пород три из четырех пе- реходных элементов устройства бокового подпора были снабжены ультразву- ковыми датчиками и электрометрическими электродами. На рис. 3 приведена функциональная схема измерительной установки 5-9 на базе АФ-15. Исследование разрушения образцов 2 горных пород и углей в условиях одноосного сжатия проведено на прессах (П-5, 10, 20), с многока- нальной регистрацией сейсмоакустических событий и контролем изменения свойств геоматериала. Рис. 3 – Функциональная схема измерительной установки для исследования разрушения горных пород и углей в условиях одноосного сжатия 74 Прием и обработка акустических сигналов в аналоговом режиме осуществ- ляется с помощью информационно-измерительной системы АФ-15 и набора стандартных датчиков 4, а в цифровом виде Н-Р – ресивером 6, 8, 9 Pioneer VSX-1520-s/-kc. Регистрация – запоминающим осциллографом С8-14, а запись подключением к порту 10 USB Blu-ray Disc BDP-1333. Ставилась задача срав- нения сигналов и их спектров для разных образцов, в то время как параметры регистрирующих сигналов оставались постоянными. Через предварительный усилитель аппаратуры АФ-15 с коэффициентом усиления 100 и полосой про- пускания от 20 кГц до 1 МГц эти сигналы подавались на вход контрольно- измерительного комплекса. При изучении зависимости механоэмиссионных эффектов от скорости нагружения, сигнал от силоизмерителя модулировали тактовыми импульсами метки времени. Это позволило определять интервалы нагружения, поддерживать скорость постоянной, синхронно осуществлять комплексный контроль процесса разрушения. Диаграммы, поясняющие схему обработки СА сигнала аппаратурой АФ-15, приведены на рис. 4. Прибор эмиссионно-акустический АФ-15 является универсальным аппара- том, позволяющим из набора функциональных блоков создать средства кон- троля в соответствии с рядом свойств и возможностей, отвечающих самым вы- соким требованиям измерений, анализа и регистрации акустической эмиссии. Для увеличения количества сквозных каналов дополнительно используются трассы усиления ресивера Pioneer 7.1. Применение прибора АФ-15 возможно в двух вариантах – режим «взвешивания» и режим «локализации». В первом – два канала прибора используются для анализа сигнала акустической эмиссии, при- нятым одним датчиком. Измерению и регистрации подлежит время превышения амплитудой анализируемого сигнала двух определенных опорных уровней. Этот процесс равносилен произведению величины временных интервалов на разность между отдельными опорными уровнями. Результатом описанного выше процес- са является значение, пропорциональное площади ниже кривой временного раз- вития анализируемого сигнала акустической эмиссии (АЭ). На рис. 4. представ- лен принцип определения площади импульса акустической эмиссии. Работающий в режиме «локализации» комплекс АФ-15 предоставляет воз- можность обнаружения и локализации источников акустической эмиссии. В процессе локализации определяется небольшая ограниченная площадь, содер- жащая излучатель звуковых волн. Закрепленные на поверхности образца два датчика показывают относительное время регистрации импульса. По взаимным отношениям временных интервалов определяют положение источника. Опреде- ление временных параметров очагов трещинообразования с помощью блока СКА-04 аппаратуры АФ-15. Субблок линейных координат предназначен для вычисления координат источника сигнала АЭ в линейных объектах по разности времени прихода (РВП) сигналов «Событие 1», «Событие 2» [8]. 75 Рис. 4 – Определение уровня сигнала акустической эмиссии прибором АФ-15 в режиме «взвешивания» Координата источника АЭ относительно первого пьезоэлектрического пре- образователя (ПЭП) определяется по формуле (1): 22 V T L X , (1) где L/2 – линейные размеры образца угля; ΔT – разность времен прихода (РВП); V – скорость распространения ультразвука между ПЭП. Топологические измерения для определения координат очагов трещинообра- зования и параметров трещин проводились двумя способами. Первый – по от- меткам времени первых вступлений СА импульсов и с помощью построения направления лучей. Второй – аппаратурой АФ-15. Временная синхронизация измерений нагрузок, деформаций и сейсмоакусти- ческих импульсов. Предварительно проводилось измерение размеров образца и определялась скорость продольной волны. Датчики расположены на торцевых гранях образцов с определением базы L между ними. Аналогичным образом за- креплялись сдвоенные датчики в режиме «взвешивания», входящие в комплект АФ-15. Тип пьезоэлектрических преобразователей П113-(0,2-0,5)А. Для хороше- го контакта и надежной работы датчики и образец смазывались силиконом и прижимались кольцом из эластичной резины. Испытание образцов проводилось по комплексной методике с определением влияния скорости нагружения, циклических воздействий с различным уровнем пригрузки на СА активность. Проводилось испытание составных моделей пес- чаник – уголь – песчаник, алевролит – уголь – алевролит. Режим нагружения об- разцов выполнялся от плавно изменяющихся до ступенчатых нагрузок. Регистрация генерации сейсмоакустических импульсов слабых горных пород и углей проводилась на прессе П-50 по схеме микрофон-ноутбук и аналого- цифрового преобразования напряжений и деформаций с временной синхрониза- ции измеряемых параметров. Функциональная схема устройства представлена на рис. 5. 76 Рис. 5 – Устройство цифрового контроля разрушения образцов угля Сейсмоакустические исследования проводились на установке, которая со- стоит из пресса 1, датчиков продольных деформаций и силомера 2, аналого - цифрового преобразователя 3, ноутбука 4. Между пуансонами пресса 6, уста- навливается образец, к которому крепятся приемники акустических колебаний 5 при помощи кольца из эластичной резины. Так как основным материалом для исследования был уголь, то значительный объем работ проведен на прессах П- 10,20, а также П-50 с применением устройств цифровой индикации диаграмм « – » и « – t». В качестве аналого-цифрового преобразователя использова- лось устройство сбора данных (УСД) National Instruments USB-6008/6009 [6]. Технические характеристики аналого-цифрового преобразователя приведены в табл. 3. Таблица 3 – Характеристика АЦП USB-6008 Характеристика АЦП USB-6008 Разрешение при аналоговом вводе 12 бит (дифференциальное подключение) 11 бит (подключение с общим проводом) Максимальная частота дискредита- ции, один канал* 10 кГц Максимальная частота дискредита- ции, несколько каналов (суммарная)* 10 кГц Конфигурация цифрового ввода / вывода Открытый коллектор * Может зависеть от конфигурации системы Исследование сейсмоакустической эмиссии проведено на образцах породы и угля различной стадии метаморфизма от ПАО «Павлоградуголь» до ПАО «Краснодонуголь». Образцы подвергались документированию, зарисовывались и замерялись трещины, определялась скорость продольных и поперечных волн и заносились в формуляр. После разрушения образец фотографировался, опреде- лялись параметры магистральных трещин и размер отдельностей. На рис. 6. представлена запись типичной сейсмограммы разрушения образца угля. 77 Рис. 6 – Типичная сейсмограмма разрушения образца угля в условиях одноосного сжатия Из динамики появления импульсов следует, что единичный импульс, име- ющий слабый энергетический потенциал приводит к развитию продолжитель- ной серии импульсов, характеризующих консолидацию микротрещин в маги- стральную. Обработка результатов испытаний образцов угля различного марочного со- става на всех стадиях деформирования и разрушения и построение на этой ос- нове 3D моделей позволили выявить основные закономерности протекания трещинообразования [7-13]. Исходя из описания проявления акустической эмиссии на всех стадиях де- формирования и разрушения [12] на рис. 7 представлена обобщенная модель акустической эмиссии при трещинообразовании в угле от действующих нагру- зок. Рис. 7 –Обобщенная модель разрушения угля при трещинообразовании Если принять площадь каждой стадии разрушения как эквивалент энергети- ческой плотности сигнала акустической эмиссии, то исходя из совместных диа- грамм «напряжение – деформация – акустическая эмиссия» можно построить баланс энергии деформирования – разрушения и параметров АЭ (энергетиче- ская плотность сигнала, амплитуда и длительность импульса). Соотношения площадей АNB – упругая область, BNPC – область предель- ного состояния, СРД – область запредельного деформирования, будет отраже- нием интенсивности процессов трещинообразования, которые в значительной мере зависят от скорости нагружения образцов угля, горных пород, в условиях 78 лабораторного эксперимента и скорости подвигания линии очистного забоя при регистрации АЭ в углепородном массиве. Анализ диаграмм «напряжение-деформация», формы сигналов АЭ, ампли- тудно-частотных характеристик во всем временном интервале разрушения поз- волил выделить основные этапы проявления напряженного состояния геомате- риала и последовательность образования трещин, его разрушения. Эти этапы можно разделить на 7 стадий. Первая – начальный этап пригрузки образцов, амплитуда и частота импуль- сов проявляется при закрытии трещин и частичной изоляции пор при развитой системе трещино-порового пространства. Акустические сигналы определяются в виде «шороха» – низкие частоты импульсов, незначительная амплитуда, сла- бая энергетическая плотность сигналов. Вторая – начальный этап упругого деформирования среды. Появляются от- дельные импульсы небольшой длительности, время нарастания продолжитель- ное, энергетические показатели слабые. Третья – линейное деформирование угля и горных пород. Проявляются от- дельные импульсы, связанные с дефектностью геоматериала, упругое сжатие каркаса среды, естественные трещины закрыты, характеристики акустических импульсов аналогичны второй стадии. Четвертая – первый этап упруго-пластического деформирования – акустиче- ские импульсы большой амплитуды, длительность импульсов незначительная, длительность фронта импульсов короткая, плотность сигналов высокая, частота импульсов высокая до 5-6 кГц. Пятая – область предельного состояния геоматериала. Особенности заклю- чаются в повышенной длительности импульсов, их высокой амплитуде, время нарастания минимальное, энергетическая плотность очень высокая, длитель- ность фронта импульсов минимальная. Шестая – начало консолидации трещин в крупные магистральные. Для этой области характерно наложение одних импульсов на другие, параметры импуль- сов самые разнообразные, сказывается принцип суперпозиции АЭ, энергетиче- ская плотность сигналов различна, частоты сигналов имеют широкий спектр. Седьмая – область пластического течения, где формируются сдвиговые, сколовые и другие трещины. Характерны следующие особенности: небольшая амплитуда, низкая частота АЭ, акустические импульсы возникают только за счет сдвигового трения берегов магистральных трещин. Параметры АЭ измерялись при скоростях нагружения 0,2, 1 и 1,8 МПа/с. Ре- зультаты испытаний приведены в табл. 5. 79 Таблица 5 – Параметры акустической эмиссии при разрушении образцов угля с различной скоростью нагружения Шахта, пласт, скорость нагру- жения Vнагр, МПа/с Прочность , МПа Скорость продольной волны, Vp, км/с Амплитуда импульса, В, мкВ Длительность импульса, tимп, мкс Время нарастания импульса, tн, мкс Шахта «Днепров- ская», ПАО «Павлоградуголь» Уголь С1 0,2 1,0 1,8 35,7 2,5-2,9 – 1375 1613 1410 – 13 10 23 – 11 8 17 ПАО «Шахта им. А.Ф. Засядько» Уголь l1 0,2 1,0 1,8 15,6 2,2-2,4 – 659 907 1030 – 29 18 31 – 32 24 11 Как следует из табл. 5, на параметры АЭ в значительной степени оказывают влияние прочность и скорость продольной волны в угле. Эти параметры также связаны со структурно-чувствительными характеристиками геоматериала, ко- торые заложены в генетических особенностях формирования угольных пластов. За активизацией трещинообразования, как правило, наступал отрезок вре- мени, за которым следовало акустическое затишье, продолжительность которо- го зависела от скорости нагружения. Результаты определения очагов генериро- вания трещин и записи формы акустических сигналов были использованы для исследования частотных особенностей АЭ при образовании трещин различного типа. Идентификацию трещин выполняли по частотному составу и диапазону генерирования, амплитуде, времени вступления и знаку первой фазы. Перечис- ленные параметры в пределах одного цикла нагружения при изменении нагруз- ки изменялись незначительно. Однако при тех же координатах и уровне нагруз- ки встречались отдельные акустические сигналы других частот и амплитуд. Форма записи сигнала и его параметры также существенно отличаются при па- раметризации импульсов. Особенности записи сигналов хорошо проявляется при многоканальных исследованиях акустических характеристик. В связи с этим была выдвинута гипотеза о том, что при разрушении образцов угля, в вви- ду различия их строения и состава при разрушении образуются разные виды трещин – сдвиговые, сколовые, Ределя и их комбинации. Результаты изучения АЭ при разрушении образцов угля и сопоставление с данными комплексного контроля показали, что все методы, позволившие дифференцировано вести контроль развития процессов в различных областях образца (деформации, про- хождение упругих волн, электрическое сопротивление и переходные процессы вызванной поляризации), указывают на возникновение очагов структурной нарушенности, которые приводят к образованию магистральных трещин, ско- рость распространения которых изменяется в пределах от 0,3 до 1,9 км/с, но не 80 более, чем скорость продольных волн в образцах керна или кубика. Возникшие области очагов с нарушенной структурой интерпретируются как участки дила- тансии и микротрещинообразования. Неоднородности этих участков в объеме образца являются особенностью подготовки процесса разрушения угля при наличии естественных дефектов (кливаж, отдельные трещины) и являются, как правило, очагами развития магистральных трещин и окончательного разруше- ния в геоматериале. Приведенные результаты исследований позволяют сделать следующие вы- воды и наметить основные задачи контроля трещинообразования флюидона- сыщенных горных пород и угля. ВЫВОДЫ 1. Разработана методология комплексных геофизических исследований, поз- волившая на более высоком качественном уровне изучить особенности много- канального сейсмоакустического контроля разрушения геоматериала, а также расширить возможности метода при регистрации СА событий. 2. В широком диапазоне напряжений и деформаций исследованы амплитуд- но-частотные и амплитудно-временные СА характеристики трещинообразова- ния в образцах угля различной стадии метаморфизма и уточнены закономерно- сти изменения их параметров от влажности, пористости и анизотропии есте- ственной трещиноватости геоматериала. 3. Подтверждена кинетическая природа генерирования СА импульсов при образовании сдвиговых, сколовых трещин и трещин Ределя, которые подчиня- ются функции наследственности для каждого образца геоматериала (кливаж, трещинно-поровое пространство и их ориентация по отношению к направлению главных напряжений. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. Булат, А.Ф. Методические рекомендации по геофизическому контролю и диагностике геомеханического состояния подземных геотехнических систем угольных шахт / А.Ф. Булат, Б. М. Усаченко, С. И. Скипочка [и др.]. – Днепропетровск-Донецк: ВИК, 2009. – 80 с. 2. Анциферов, М. С. Сейсмические исследования и проблема прогноза динамических явлений / М. С. А н- циферов, Н. Г. Анциферова, Я. Я. Качан. – М.: Наука, 1971. – 110 с. 3. Курленя, М. В. Спектрально-временные характеристики ЭМИ излучения при трещинообразовании го р- ных пород / М. В. Курленя, Г. И. Кулаков, Г. Е. Яковицкая // ФТПРПИ. – 1993. – № 1. – С. 37–41. 4. Касьян, М. В. Изменение спектров эмиссионных сигналов при развитии трещин и разрушении го рных пород / М. В. Касьян, В. А. Робсман, Г. Н. Никогосян // Доклады АН СССР. – 1989. – Т. 306. – № 4. – С. 1171– 1187. 5. Стрижало, В.А. Прочность и акустическая эмиссия материалов и элементов конструкций / В. А. Стрижа- ло, Ю. В. Добровольский, В. А. Стрельченко, С. Н. Пичков. – Киев: Наук. Думка, 1990. – 232 с. 6. Измерения в Lab/ VIEW. Руководство по применению: Российский филиал корпорации «National Instruments». – Новосибирск: Изд-во Новосиб. Госуд. техн. ун-та, 2006. – 148 с. 7. Булат, А.Ф. Определение очагов трещинообразования и напряженного стояния массива методом много- канальной сейсмоакустики / А. Ф. Булат, С. Ю. Макеев, Ю. Н. Пилипенко [и др.] // Деформирование и разр у- шение материалов с дефектами и динамические явления в горных породах и выработках: Матер. XX Межд. науч. школы. – Симферополь: Таврич. нац. ун-т, 2010. – С. 75–77. 8. Соболев, Г.А. Крупномасштабное моделирование подготовки и предвестников землетрясений / Г.А. Со- болев, Н.В. Кольцов. – М.: Наука, 1988. – 208с. 9. Рац, М. В. Трещиноватость и свойства трещиноватых горных пород / М. В. Рац, С. Н. Чернышев. – М.: Недра, 1970. – 164 с. 10. Скипочка, С.И. Сейсмоакустический контроль изменения напряженного состояния углепородного ма с- сива в зонах разрывных дислокаций / С.И. Скипочка, Ю.Н. Пилипенко // Геотехническая механика: Межвед. сб. науч. тр. / ИГТМ НАН Украины. Днепропетровск, 2010. Вып. 91. С. 27 32. 11. Скипочка, С.И. Геомеханическое состояние угольных пластов при подходе очистных работ к разры в- 81 ным нарушениям сложной морфологии / С.И. Скипочка, Ю.Н. Пилипенко // Геотехническая механика: Межвед. сб. науч. тр. / ИГТМ НАН Украины. Днепропетровск, 2009. Вып. 83. С. 288 292. 12. Пилипенко, Ю.Н. Дегазация угольных пластов в зонах тектонических нарушений / Ю.Н. Пилипенко // Геолог Украины. – 2011. – № 2. – С.69-73. 13. Булат, А.Ф. Теоретические предпосылки оценки напряженно -деформированного состояния угольных пластов методом многоканальной сейсмоакустики / А.Ф. Булат, Ю.Н. Пилипенко, С.Ю. Макеев // Математич е- ские проблемы технической механики – 2011: Материалы ХІ Международной научной конференции (13-15 квітня 2011 р.). – Днепропетровск, Днепродзержинск, 2011. – С.4. УДК 622.833.5.001.5 Доктора техн. наук С.И. Скипочка, Т.А. Паламарчук, инж. Н.Т. Бобро (ИГТМ НАН Украины) ОСОБЕННОСТИ СТРОЕНИЯ СТРУКТУРНО-НЕОДНОРОДНОГО БЛОЧНОГО МАССИВА ГОРНЫХ ПОРОД Виконано аналіз особливостей будови структурно-неоднорідного блокового масиву гірських порід. FEATURES OF STRUCTURE OF STRUCTURAL-INHOMOGENIOUS BLOCK MASSIF ROCKS The analysis of features of structure of structural-inhomogenious block massif rocks is executed. При изучении механических свойств горных пород как среды, в которой проводятся горные выработки (т.е. создаются полости), необходимо различать поверхности ослабления: а) большой протяженности, по которым происходит скольжение одной части деформируемого массива относительно другой, явля- ющиеся поверхностями разрыва сплошности массива, и б) небольшой протя- женности, расположенные ступенчато относительно друг друга и образующие системы определенным образом ориентированных трещин. При деформирова- нии больших областей массива (линейные размеры которых на порядок больше линейных размеров блоков, ограниченных смежными трещинами) структурные ослабления небольшой протяженности не являются поверхностями скольжения и разрыва непрерывности деформаций и смещений, а являются лишь элемента- ми структуры массива горных пород, снижающими прочность (или сопротив- ление сдвигу) массива горных пород (рис. 1) [1-3]. Структурные элементы первого типа (так будем называть поверхности ослабления большого протяжения), их расположение и характеристики сопро- тивления сдвигу по ним оказывают большое влияние на формирование нагру- зок (силовых полей) в окрестности горных выработок, распространение области влияния выработок, изменение напряжений в массиве горных пород и парамет- ры сдвижения горных пород. Например, если покрывающая полезное ископае- мое толща представлена крепкими породами, то граница области влияния очистных выработок и параметры сдвижения существенно будут зависеть от мощности слоев, разграничиваемых поверхностями ослабления первого типа.

Геофизический контроль трещинообразования при разрушении флюидонасыщенного угля и горных пород

Institution

Ähnliche Einträge