CC BY
31
УДК 622.02:539.2 С.В. Кучурин
АКУСТОЭМИССИОННЫЙ МЕТОД ОПРЕДЕЛЕНИЯ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ И СОСТОЯНИЯ УГЛЯ В ПРОЦЕССЕ ЕГО ДЕФОРМИРОВАНИЯ*
Семинар № 3
А кустоэмиссионный метод является в настоящее время одним из перспективных инструментов решения обширного круга задач контроля, оценки и прогноза свойств, состояния и структуры различных материалов и конструкций, а также исследования разнообразных процессов. В основе данного метода лежат регистрация и анализ упругих волн акустической эмиссии (АЭ), которые возникают при пластической деформации и разрушении исследуемого объекта.
В настоящей работе было проведено изучение возможностей оценки показателей физико-механических свойств, а также идентификации стадий деформирования и границ между ними по информативным параметрам АЭ в процессе механических испытаний образцов угля при различных режимах и схемах создания напряженного состояния. Проводились эксперименты по одноосному сжатию образцов антрацита с заданной скоростью нагружения (О, = const) и заданной скоростью продольной деформации (£ 1 = const), а также трехосному
- по схеме Кармана (aj > a2 = a3) с £ 1 « 10-5 при различных величинах бокового
обжатия (5, 10 и 15 МПа) [1, 2]. При трехосном деформировании сначала создавалось гидростатическое напряженное состояние образцов, после чего сразу же производилось повышение дифференциального напряжения Аа] = а - а2 при заданном значении бокового давления а2 = а3.
Объектом исследования являлся антрацит пласта 13н «Степановский» бывшей шахты «Западная» (г. Новошах-тинск Ростовской обл.). Механические испытания проводились на цилиндрических образцах высотой 100 мм и диаметром 50 мм, которые выбуривались из монолитных блоков, отобранных с глубины около 700 м.
Испытания осуществлялись в стаби-лометре БВ-21 (конструкции ВНИМИ), который помещался между плитами испытательной машины ЕЙ-100 (Германия). Образцы антрацита помещались в тонкую резиновую оболочку для обеспечения их изоляции от масла в рабочей камере. При этом в экспериментах измерялись величины осевого напряжения а, при трехосном сжатии - значения Аа и СТ2> продольной £] и поперечной е2 деформаций с использованием компьютеризированной тензометрической аппаратуры СИИТ-2. Индикаторы часово-
*Работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (проект № 04-05-64885).
Рис. 1. Графики зависимостей а1 - е1 и N1 - е1 при одноосном нагружении угля с постоянной скоростью
го типа и упругие кольца для регистрации соответственно продольных и поперечных деформаций, манометр бокового давления и динамометр были оснащены тензорезисторами. Для измерения и записи активности АЭ N использовался акустико-эмиссионный измерительный комплекс A-Line 32D. Прием импульсов эмиссии велся пьезопреобразователем в частотном диапазоне от 30 до 500 кГц. По результатам испытаний рассчитывались также значения объемной деформации sy = si + 2s2 и суммарной АЭ N^.
По полученным экспериментальным данным строились различные графичи-ские зависимости: а1 - Sj, sy - ai, IN - ai, N - si, Nz - ei, Ла1 - si, sy - Ла1, N - Л<и. Сопоставление графических зависимостей проявления эми-ссионных и деформационных свойств образцов угля позволило установить характерные аномалии параметров АЭ (экстремумы, возрастание и убывание зависимостей), позволяющие идентифицировать стадии
деформирования угля и границы переходов между указанными стадиями, соответствующие определенным характеристикам физико-механических
свойств исследуемого геоматериала.
Графические зависимости а1 - є1 и N1 - є1 для угля при одноосном испытании с Є 1 = const позволили выделить особенности акустоэмиссионного процесса, соответствующие различным стадиям деформирования: I - пригрузки, II
- упругая, III - упруго-пластическая, IV
- предельного разрушения, V - запредельного разрушения и VI - запредельной дезинтеграции. Переход от стадии II к III соответствует достижению предела упругости ае, от III к IV - предела дли-
и G T-І и
тельной прочности а1 . Границей между стадиями IV и V является предел мгновенной прочности при одноосном сжатии <ус, между стадиями V и VI - cr1w в запредельной области деформирования. В случае одноосного нагружения угля с
Дст/, МПа 75
60
45
30
15
N Е
! '.л 1 F
гИ / С. G
- V 1 Аст/
VА—У 1J ллЦ
N, имп./с 500
400
300
200
100
0
0.01 0.02 0.03 0.04 0.05
е/
Рис. 2. Графики зависимостей Аа1 - е1 и N - е1 для угля при боковом давлении 10 МПа
U = const выделяются четыре допредельные стадии деформирования I - IV (рис. 1). Границы между стадиями деформирования обозначены на рис. 1 пунктирными линиями и соответствуют определенным характеристикам физикомеханических свойств угля. При анализе графиков зависимостей sy - аi и N - аi граница перехода между стадиями III и IV (ui°) может быть уточнена по максимуму кривой S, обозначающему переход от уплотнения к разрыхлению угля.
Сравнение графиков зависимостей Nz - Ei и ai - Si позволяет идентифицировать некоторые стадии деформирования и пределы прочности угля. Для случая одноосного нагружения угля си = const были выделены две стадии: 1 - упругая, 2 - упруго-пластическая. При деформировании угля с £ 1 = const на
графиках Nz - ei в запредельной области выделяются еще две дополнительные стадии: 3 - запредельного деформиро-
вания и 4 - остаточной прочности. Переходы между стадиями отмечаются изменением скорости накопления импульсов АЭ (угла наклона) на графиках N -в1, что отражается в появлении перегибов, соответствующих достижению Се -границы между 1 и 2 стадиями, сс - между 2 и 3, предела остаточной прочности с0 - между 3 и 4 стадиями деформирования.
При трехосных испытаниях угольных образцов по схеме Кармана также по аномалиям проявления АЭ были выделены определенные стадии деформирования и границы перехода между указанными стадиями, соответствующие некоторым упругим и прочностным параметрам. На рис. 2 и 3 показаны характерные графики зависимостей Ас1 - е1 и N - в1 для угля при боковых давлениях соответственно 10 и 15 МПа.
Начальный этап деформирования угольного образца является стадией пригрузки 0А (рис. 2, 3). При этом про-
явление акустоэмиссионного процесса обнаруживает особенности, обусловленные наличием различного уровня бокового давления. При значениях а2, составляющих 5 и 10 МПа, после незначительного «чашеобразного» спада значений N в самом начале стадии 0A за всплеском активности АЭ в начальный момент пригрузки происходит достаточно интенсивное возрастание величин N . Этот рост продолжается до некоторого относительно высокого уровня N в конце стадии 0A.
В случаях величин бокового давления 0 МПа (описанный выше режим одноосного испытания с £ 1 = const) и 15 МПа стадия пригрузки сопровождается незначительной АЭ (значения N приблизительно на порядок меньше), создающей почти постоянный фон в течение всей стадии.
На стадии AB происходит линейное упругое деформирование угля. Величины N АЭ принимают практически постоянное значение. В условиях отсутствия бокового давления и а2 = 15 МПа уровень N несущественно увеличивается по сравнению со стадией пригрузки и также находится в диапазоне сравнительно низких значений. В режиме же деформирования угля с а2, равными 5 и 10 МПа, наблюдаются стабильно высокие значения N , достигнутые к концу стадии 0A.
Из рис. 2 видно, что на стадии AB, ближе к ее окончанию (пределу упругости Лае в точке B), происходит некоторое снижение уровня активности АЭ. Предел упругости соответствует в данном случае минимальному значению N «седловидной впадины», видимой на акустоэмиссионной кривой. Еще более четко минимум N , соот-
ветствующий Лае в точке B, становится выражен при дополнительном привлечении анализа графиков зависимостей sv - Ла1 и N - Ла, которые дополняют комплекс зависимостей, позволяющий произвести более однозначную идентификацию Л<и.
Стадия BD - упруго-пластическая. В большинстве случаев во всех исследованных четырех режимах бокового давления от 0 до 15 МПа на данной стадии происходит сначала более медленное возрастание значений N от точки B (выход из «седловидного углубления», если оно имело место). Затем происходит процесс резкого возрастания активности АЭ, который соответствует достижению предела длительной прочности Ла° (точка C), когда начинается активный процесс развития трещин в угле. Точка C дополнительно может быть также уточнена по максимуму на графике зависимости sv - Ла. Однако в некоторых случаях точка, соответст-
а О
вующая Лаа , по данным именно аку-стоэмиссионных наблюдений, находится не в максимуме кривой sv, а в точке, которая соответствует резкому снижению увеличения объемной деформации.
Возрастание значений N происходит до некоторого максимального уровня в точке D (рис. 3) или же остается на ранее достигнутых максимальных величинах N (рис. 2).
Отметим, что в случае одноосного
деформирования с £ 1 = const значения
N достигают максимума практически на пределе мгновенной прочности Л<тс. В случае же трехосного деформирования максимальные значения N достигаются значительно раньше данного максимального предела прочности.
Аст/
МПа
80
60
40
20
/ \ /г в
С //
Да/ / 1 N
В„ / / II 4 1 1 Л
Г щ,
N, имп./с 400
300
200
100
0
0.01 0.02 0.03 0.04 0.05
в/
Рис. 3. Графики зависимостей Аа1 - е1 и N1 - е1 для угля при боковом давлении 15 МПа
Начиная с точки Б, в малом диапазоне напряжений происходит резкое снижение активности АЭ в 7-10 раз (до достижения точки Е, соответствующей пределу мгновенной прочности А<УС). Стадия БЕ может быть названа стадией предельного разрушения. В случае одноосного деформирования данная стадия принималась в диапазоне от предела длительной прочности до предела мгновенной прочности. В условиях же воздействия боковых давлений имеет смысл выделения данной, незначительной при этих режимах, стадии БЕ как предваряющей непосредственно АаС и характеризуемой быстрым уменьшением N АЭ.
Скоротечная стадия запредельного разрушения ЕЕ происходит на фоне относительно низких значений N. На данном этапе, по-видимому, указанное затишье акустических импульсов объясняется подготовкой процессов разруше-
ния на субмикроскопическом уровне разрушения геоматериала, лежащем за пределами чувствительности применяемой акустоэмиссионной технологии.
Границей окончания интенсивного запредельного падения прочности является предел остаточной прочности Асго в точке Е. Достижение Аа0 сопровождается резким «зубцевидным» всплеском значений N АЭ.
Конечным участком полной диаграммы деформирования угля по схеме Кармана является стадия запредельной дезинтеграции ЕО. Указанная стадия сопровождается некоторым стабильным фоновым для данных процессов уровнем N АЭ. При этом величины активности эмиссии для случаев значений <т2, составлявших 0 и 15 МПа, были примерно в 2-3 раза выше, чем на стадиях пригрузки и упругого деформирования. В то же время при значениях бокового давления 5 и 10 МПа средние значения N стадии ЕО были в 4-5 раз меньше
таковых в вышеуказанных двух начальных стадиях деформирования. Вероятно, в условиях деформирования с умеренными значениями бокового обжатия (5 и 10 МПа) создаются такие условия развития процесса разрушения, что действие основной доли дефектов угля реализуется преимущественно в допредельной области деформирования. В то же время в условиях одноосного сжатия и высоких боковых давлений (15 МПа) разрушение происходит главным образом в околопредельной и запредельной областях, т.к. на предыдущих этапах идут процессы, подготавливающие инициирование механической деструкции вещества в данных, по-видимому, менее благоприятных с точки зрения способности к разрушению, условиях деформирования угля.
Стадия ЕО сопровождается наиболее интенсивными осцилляциями N , которые при меньших значениях бокового давления имеют меньший «размах» по сравнению с более высоким уровнем <т2.
При трехосном сжатии образцов угля, как и при одноосных испытаниях с постоянной скоростью продольной деформации, по аномалиям графиков N -в] возможна идентификация указанных выше четырех стадий деформирования. При этом возможно четкое определение момента достижения, по крайней мере, двух границ между тремя начальными стадиями - Асге и А<тС, достижение Аа0 не всегда возможно однозначно идентифицировать при а2 = 10 МПа и более.
Во всех исследованных режимах трехосного сжатия по схеме Кармана при значениях бокового давления 0, 5, 10 и 15 МПа уголь характеризуется наличием значительной АЭ. Пластичные породы типа каменной соли в аналогичных условиях испытаний проявляют отсутствие акустоэмиссионной активности при а2 > 10 МПа.
Общее поведение АЭ угля при испытаниях по схеме Кармана можно разделить на два типа. Первый тип поведения эмиссии в угле объединяет состояния одноосного деформирования и сжатия при высоких боковых давлениях (15 МПа), которые, по-видимому, имеют подобную природу развития процессов разрушения данного геоматериала. Второй тип «акустоэмиссионного паспорта» угля объединяет напряженные состояния при воздействии умеренных боковых давлений (5, 10 МПа).
Информативные акустоэмиссионные параметры угля позволяют в подавляющем большинстве случаев четко идентифицировать процессы, протекающие на различных стадиях деформирования и при переходах между ними, а также при изменении характера внешнего воздействия.
АЭ служит для угля более структурно-чувствительным параметром, чем поведение механических величин. Это свидетельствует об эффективности применения АЭ для количественного уточнения физико-механических свойств угля при комплексных механо-акустических лабораторных исследованиях, а при отсутствии данных о деформационном поведении угля (например, при натурных наблюдениях) -для качественной оценки и прогнозирования свойств и состояния данного геоматериала.
Установленные акустоэмиссионные прогностические признаки приближения дилатансии и разрушения угля в процессе его деформирования являются основой для разработки наиболее объективных и адекватных методик контроля свойств и состояния исследованного геоматериала в естественных условиях углепородного массива и прогноза гео-динамических явлений в нем.
1. Шкуратник В.Л., Филимонов Ю.Л., Кучурин С.В. Экспериментальные исследования акустической эмиссии в образцах угля при одноосном нагружении // Физикотехнические проблемы разработки полезных ископаемых (ФТПРПИ). - 2004. - № 5. - С. 4249.
2. Шкуратник В.Л., Филимонов Ю.Л., Кучурин С.В. Закономерности акустической эмиссии в образцах угля при трехосном деформировании // ФТПРПИ. - 2005. - № 1. - С. 53-62.
— Коротко об авторах -----------------------------------------------------------
Кучурин Станислав Валерьевич - аспирант кафедры «Физико-технический контроль процессов горного производства», Московский государственный горный университет.
ДИССЕРТАЦИИ
ТЕКУЩАЯ ИНФОРМАЦИЯ О ЗАЩИТАХ ДИССЕРТАЦИИ ПО ГОРНОМУ ДЕЛУ И СМЕЖНЫМ ВОПРОСАМ
Автор
Название работы
Специальность
Ученая степень
магнитогорский государственный технический университет
им. Г.И. НОСОВА
КОЛОНЮК Обоснование конструкций и рациональ- 25.00.22 к. т. н.
Александр Анатольевич ной последовательности расконсервации
временно нерабочих бортов карьеров
