CC BY
12
УДК 620.179.17:624.042.(62+63)
© В.Л. Шкуратник, Е.А. Новиков, 2014
В.Л. Шкуратник, Е.А. Новиков
ЧИСЛЕННАЯ ОЦЕНКА ПРЕДЕЛА ДЛИТЕЛЬНОЙ ПРОЧНОСТИ СТАТИЧЕСКИ НАПРЯЖЕННОЙ КАМЕННОЙ СОЛИ МЕТОДОМ ТЕРМОСТИМУЛИРОВАННОЙ АКУСТИЧЕСКОЙ ЭМИССИИ*
Экспериментально изучены закономерности проявления термостимулированной акустической эмиссии (ТАЭ), вызванной как нагревом, так и остыванием, в статически нагруженных образцах каменной соли, находящихся на различных стадиях деформированного состояния. Установлена особенность характера ТАЭ, позволяющая для данного геоматериала определять нагрузку, соответствующую началу интенсивного дефектообразования, ведущего к необратимым потерям гру-зонесущей способности. Показана принципиальная возможность использования указанной особенности для численной оценки предела длительной прочности. Достоверность полученных результатов подтверждена их сходимостью с результатами испытаний контрольной выборки образцов, проведенными гостированным способом.
Ключевые слова: Термостимулированная акустическая эмиссия, каменная соль, эксперимент, напряженно-деформированное состояние, интенсивное трещино-образование, локальное термическое нагружение, предел длительной прочности.
Общеизвестно, что до определенного порогового значения нагрузки, получившей название «предел длительной прочности ст.™», в горной породе происходит закрытие трещин и пор, наблюдается обжатие минерального скелета. Соответственно новых дефектов при таких нагрузках практически не образуется и геоматериал способен выдерживать последние в течение длительного периода времени без потери грузонесущей способности.
Очевидно, что корректная информация о значении ст.™ геоматериала является необходимым условием принятия эффективных технологических и технических решений на всех стадиях освоения месторождений полезных ископаемых, строительства и эксплуатации подземных сооружений. Особенно актуален этот вопрос
при проходке пластичных пород, классическим представителем которых является каменная соль. Она обладает сильно выраженными реологическими свойствами, что наряду с высокой пластичностью, затрудняет ее исследования любыми методами, основанными на измерении деформаций механически нагружаемых образцов. Однако до настоящего времени обоснованно считалось, что реальной альтернативы этим методам не существует.
Так, согласно единственному нормативно регламентированному [1] способу, величина ст.™ определяется как максимальное значение ст., при котором в течение всего опыта не было отмечено увеличения объемной деформации, а интенсивность сдвиговых деформаций е. имеет затухающий характер. Промежуток времени, для
* Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ, грант № 13-05-00168.
которого допустимо считать ст. = ст.™ составляет не менее 100 часов. Обычно требуется не менее 5-6 различных уровней напряжений, что обусловливает минимальную длительность процедуры определения ст.™ в 500 часов. В целях обеспечения достоверности результатов необходимо испытывать не менее 8 образцов. В настоящее время проблему столь большой продолжительности экспериментов решают путем использования достаточно дорогостоящих и сложных установок, позволяющих одновременно испытывать несколько образцов. Однако такой подход не снимает трудность длительного поддержания постоянного давления на образец.
Известно [2, 3], что по взаимосвязи между деформационными, прочностными характеристиками каменной соли и определенными параметрами АЭ, вызванной механическим нагру-жением, возможно давать численную оценку предела длительной прочности, как характеристики резкого изменения проницаемости этого геоматериала. Однако традиционный метод АЭ не снимает требований к длительности экспериментов.
В тоже время можно считать, что количество разрушенных при механическом нагружении структурных связей пропорционально числу связей переведенных указанным воздействием в стадию предреализации, т.е. ослабленных настолько, что возникновение даже малых дополнительных напряжений приведет к переходу этих связей в информативные источники АЭ [4]. Представляется что, при создании указанных напряжений, возобновится генерация АЭ сигналов, отражающих информацию о состоянии объекта контроля. Причем величина этих напряжений должна быть достаточна мала и иметь иную природу, чтобы не вызвать сильных изменений в исходном напряженно-
деформированном состоянии объекта контроля. Ранее было показано, что для возбуждения АЭ может быть использовано более технологичное термическое воздействие, являющееся неразрушающим и пригодным для оценки напряженно-деформированного состояния геоматериала [5].
С учетом сказанного в настоящей работе приводятся результаты экспериментальных исследований возможности использования метода тер-мостимулированной акустической эмиссии (ТАЭ) для численной оценки предела длительной прочности на образцах каменной соли, находящихся в напряженном состоянии.
Постановка экспериментов
В качестве объекта исследования взяты образцы каменной соли Верхнекамского месторождения диаметром 35 мм и высотой 70 мм в количестве 19 шт. Эксперименты проводилась на оборудовании детально описанном в [5].
Отличие от изложенного в [5] состояло в применении нового, специально разработанного для решения данной задачи методического подхода к обработке измерительной информации. Согласно этому подходу средние активности ТАЭ за время активного нагрева образца (область А) и его остывания (область Б), соответственно и , рассматривались не по отдельности, а в единой совокупности - как взаимосвязанные величины. Моменты времени Гн и Гк соответствующие начальной и конечной границам этих областей определены графически по изменению характера зависимости суммарного счета N сигналов ТАЭ от времени (рис. 1).
С целью моделирования разноуровневого напряженного состояния образцы подвергались индивидуальной и возрастающей с шагом 0,1 • стсж от образца к образцу механической
Рис. 1. Характерная экспериментальная зависимость активности N и суммарного счета N АЭ при нагревании (А) и остывании (Б) образца каменной соли
нагрузке. Эта нагрузка выдерживалась без изменений вплоть до прекращения образцом генерации сопутствующей нагружению АЭ. Это обычно занимало от 8 до 10 мин. Затем, убедившись, что активность АЭ соответствует фоновому уровню, производилось термическое нагружение каждого из образцов, механическая нагрузка при этом оставалась постоянной и, соответственно, источником АЭ не являлась по определению.
Нагрев производился в центральной по высоте образцов части до Т = 130±3 °С. Скорость нагрева была выбрана примерно равной 10 °С/мин. Это значение продиктовано условием соблюдения равенства скоростей нагрева и естественного остывания использованного в работе геоматериала.
Перед началом работ, для определения структурной однородности испытуемых образцов производилось их ультразвуковое (УЗ) прозвучивание на частоте 1 МГц с помощью прибора УД2-16. Все включенные в выборку образцы имели различия в коэффициенте затухания УЗ волны не более 5,7% и ее скорости - не более 3,6%.
Результаты экспериментов и их обсуждение _н
Обнаружено, что соотношения N е и N е каждого из образцов примерно равны друг другу, за исключением группы образцов, испытанных при [0,4-0,5]-стсж (рис. 2), что соответствует области, в которой лежит предел длительной прочности определенный стандартным способом для данного геоматериала [2].
Отмеченное объясняется тем, что при нагреве действуют меньшие, чем при остывании напряжения. Это приводит к реализации большей части содержащихся в образце потенциальных источников ТАЭ именно в ходе остывания. Достижение нагрузки ст.™ приводит к началу необратимых изменений и, соответственно, разуплотнению структуры геоматериала. Из-за этого термонапряжений нагрева начинает хватать для выработки практически всех потенциальных источников ТАЭ, которых к моменту охлаждения остается весьма малое количество. После окончанию интенсивного дефекто-образования структура геоматериала вновь обретает некоторую стабильность относительно механической на-
Рис. 2. Отношения N Е к N % от приложенной к образцам нагрузки выраженной в доляхст
Рис. 3. Характерный результат деформационных испытаний образцов каменной соли Верхнекамского месторождения
грузки, что_приводит к стабилизации отношения NЕ к NЕ на прежнем уровне.
Кроме того отмечено, что указанное соотношение демонстрирует тенденцию к снижению строго после нагружения образцов каменной соли свыше их стсж, т.е. переходу в запредельную стадию деформирования.
С целью проверки достоверности полученных результатов на аналогичных использованным в данной работе, образцах традиционным способом в испытательном лабораторном центре ООО «Газпром геотехнологии» определен их предел длительной прочности, который, как уже было сказано выше, совпадает с началом интенсивного дефектообразования, отслеживаемого по росту деформаций еу. Результаты этого определения показаны на рис. 3.
Из рис. 3 следует, что ст.™ « 23,8 МПа, а ст « 51,7 МПа, соответственно ст™
сж .
составляет 0,46 • стсж. Этот результат близок к полученному по предлагаемому ТАЭ способу, что доказывает достоверность и обоснованность последнего.
Выводы
Экспериментально установлено, что в каждом из серии образцов ка-
менной соли, находящихся под возрастающей от образца к образцу статической механической нагрузкой, генерируется акустическая эмиссия как при его нагревании, так и при остывании. Причем при одинаковой скорости последних, примерно равной 10 °С/мин., полученная на серии образцов зависимость попарных отношений усредненных значений активности акустической эмиссии в процессе остывания и нагрева в функции от приложенной механической нагрузки, содержит экстремальную область, максимум которой соответствует пределу длительной прочности. Этот научный результат открывает возможность численной оценки методом ТАЭ предела длительной прочности горных пород, находящихся в напряженном состоянии, без снятия нагрузки, это состояние вызывающей. По сравнению с традиционным методом, основанным на деформационных измерениях, метод ТАЭ при достаточной информативности реализуется на существенно более дешевой приборной базе и требует на два порядка меньших временных затрат (45 мин. на эксперимент и 7,5 ч на полный цикл, против 100 ч по гос-тированному способу).
1. СП 34-106-98 Подземные хранилища газа, нефти и продуктов их переработки. -М.: ИРЦ Газпром, 1998.
2. Филимонов Ю.Л. Закономерности акустической эмиссии при деформировании соляных горных пород [Текст] : дис. ... канд. техн. наук : 25.00.16 - М., 2002. - 203 с.: ил. РГБ ОД, 61 03-5/596-3.
3. Шкуратник В.Л., Филимонов Ю.Л. О взаимосвязи параметров акустической эмиссии с физико-механическими свойствами и процессами разрешения соляных горных пород // Геодинамика и напряженное состояние недр Земли. Труды международной конференции. - Новосибирск: Изд. Института горного дела СО РАН, 2004. - С. 74-81.
_ СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
4. Шкуратник В.Л., Филимонов Ю.Л. Об использовании акустической эмиссии для определения реологических параметров и прогноза разрушения каменной соли при ее трехосном деформировании // Сборник трудов XVI сессии РАО. Т. 1. - М.: ГЕОС, 2005. - С. 330-336.
5. Шкуратник В.Л., Новиков Е.А. О взаимосвязи термостимулированной акустической эмиссии с напряженно-деформированным состоянием геоматериала и переходом его в стадию предразрушения // Труды ХХ Всероссийской конференции с участием иностранных ученых, 7-11 октября. - Новосибирск, 2013. - С. 32-37. ЕШЭ
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ_
Шкуратник Владимир Лазаревич - доктор технических наук, профессор, зав. кафедрой,
Новиков Евгений Александрович - преподаватель, МГИ НИТУ «МИСиС», e-mail: [email protected].
UDC 620.179.17:624.042.(62+63)
ABOUT NUMERICAL ESTIMATION OF THE LONG-TERM STRENGTH OF STATICALLY LOADED ROCK SALT BY USING METHOD OF THERMALLY STIMULATED ACOUSTIC EMISSION
Shkuratnik V.L., Doctor of Technical Sciences, Professor, Head of Chair, Novikov E.A., Lecturer,
Moscow Mining Institute, National University of Science and Technology «MISiS», e-mail: [email protected].
In this paper describes results of experimental study of thermally stimulated acoustic emission (TAE) nature, which caused by both heating and cooling down (one after another), in a mechanically statically loaded samples of rock salt at different stages of strain state. Experimentally found out the feature of TAE nature, which allows, for mentioned geomaterial, to determine the current load, corresponding to the onset of intense defect formation, conducive to irreversible loss of load-carrying capacity. Also has been shown the principal possibility of this feature application for numerical evaluation of long-term strength. Reliability of the received results confirmed by their proper convergence with the results of the analogous samples tests, carried out by classical method.
Key words: thermostimulated acoustic emission, rock salt, experiment, stress-strain state, intensive crack formation, local thermal loading, long-term strength.
REFERENCES
1. SP 34-106-98 Podzemnye hranilishha gaza, nefti i produktov ih pererabotki (Construction Rules SP 34-106-98. Underground storages for gas, oil and their derivatives), Moscow, IRC Gazprom, 1998.
2. Filimonov Ju.L. Zakonomernosti akusticheskoj jemissii pri deformirovanii soljanyh gornyh porod (Regular patterns of acoustic emission in salt rock deformation), Candidate's thesis, Moscow, 2002, 203 p.
3. Shkuratnik V.L., Filimonov Ju.L. Geodinamika i naprjazhennoe sostojanie nedr Zemli. Trudy mezh-dunarodnoj konferencii (Geodynamics and stress state of the Earth's interior. International Conference Proceedings), Novosibirsk, Izd. Instituta gornogo dela SO RAN, 2004, pp. 74-81.
4. Shkuratnik V.L., Filimonov Ju.L. Sbornik trudov XVI sessii RAO. T. 1 (Proceedings of the 26th Session of the Russian Academy of Education, vol. 1), Moscow, GEOS, 2005, pp. 330-336.
5. Shkuratnik V.L., Novikov E.A. Trudy XX Vserossijskoj konferencii s uchastiem inostrannyh uchenyh, 7-11 oktjabrja (Proceedings of the All-Russian Conference in Partnership with Foreign Scientists, 7-11 October), Novosibirsk, 2013, pp. 32-37.
