Оценка степени выветривания горных пород по мощности структурных акустических шумов Текст научной статьи по специальности «Физика»

----------------------------------------- © А.А. Закиров, В.Н. Иньков,

Р.Г. Простяков, Е.Б. Черепецкая,

2010

УДК 622.611.4:620179.16

А.А. Закиров, В.Н. Иньков, Р.Г. Простяков,

Е.Б. Черепецкая

ОЦЕНКА СТЕПЕНИ ВЫВЕТРИВАНИЯ ГОРНЫХ ПОРОД ПО МОЩНОСТИ СТРУКТУРНЫХ АКУСТИЧЕСКИХ ШУМОВ

Представлен метод оценки степени выветривания горных пород, основанный на определении мощности «структурного» шума акустического трека, полученного в режиме лазерной ультразвуковой эхоскопии.

Ключевые слова: нарушенность структуры, горные породы, лазерная ультразвуковая эхоскопия, мощность «структурного» шума.

Ж~>ыветривание представляет собой АЗ один из наиболее важных природных процессов, приводящих к разрушению горных пород. Оно носит непрерывный и повсеместный характер, отличается разнооб-разием конкретных механизмов и проявлений, широким диапазоном степени влияния на состав, строение, структурно-текстурные особенности и свойства горных пород [1]. Неизбежным следствием этого влияния является нарушенность исходного геоматериала, обусловленная его механическим разуплотнением и структурной дезинтеграцией. Скорость и степень выветривания существенно зависят от структурных и текстурных особенностей горных пород. Повышение интенсивности выветривания в зонах ведения горных работ связано с появлением новых плоскостей обнажений, сопровождающимся изменением естественных термодинамических и гидрогеологических условий. Комплексное влияние факторов выветривания обуславливает неоднородность зон выветривания по мощности и степени нарушенности. Другими словами, процесс выветрива-

ния представляет собой сложный многофакторный объект исследования.

Геофизические методы основаны на изучении природы, структуры, пространственной неоднородности и временной изменчивости естественных и искусственных физических полей в горных породах. Наиболее эффективными принято считать акустические методы, поскольку их информативные параметры связаны устойчивыми корреляционными связями с плотностными, упругими и прочностными свойствами горных пород. Тем самым имеется возможность интегральной оценки нарушенности пород.

Из используемых акустических методов следует выделить так называемые ультразвуковые методы [2]. Они основаны на использовании упругих волн различных типов: продольных, поперечных и сдвиговых. Ультразвуковые методы допускают проведение исследований как непосредственно в массиве, так и на образцах, полученных из кернов. Указанные методы обладают высокой информативностью, чувствительностью и пространственной разрешающей спо-

собностью. В качестве информативных параметров в этом случае используются кинематические характеристики импульсного акустического сигнала. Среди акустических методов исследования влияния выветривания на горные породы наиболее перспективным является метод акустической эхолокации [3].

В настоящей работе предлагается использовать метод лазерной ультразвуковой (УЗ) эхоскопии [4] для оценки степени нарушенности подверженных процессам выветривания образцов геоматериалов по результатам расчета суммарной мощности структурного акустического шума, возникающего в результате рассеяния упругих импульсов на неоднородностях в геоматериале.

Теоретическая модель

Идея метода заключается в следующем. Лазерный импульс 1 через прозрачную призму 2 из оргстекла падает на поверхность исследуемого образца 3 горной породы (рис. 1). Оптический импульс поглощается в приповерхностной области данного образца.

Ее последующее расширение приводит к возбуждению двух мощ-ных коротких УЗ импульсов. Первый из этих

импульсов распространяется назад в оптически прозрачную среду к широкополосному пьезоэлектрическому приемнику 4. Он называется опорным. Второй импульс поступает в исследуемый образец. Амплитуды и временные профили каждого из этих импульсов определяются интенсивностью оптического пучка, длительностью лазерного импульса, коэффициентом поглощения света горной породой, а также соотношением N = p0c0 / р1с1 акустических импедансов

p0c0 оргстекла и р)ех исследуемой среды. Временной профиль и спектр импульса, распространяющегося к приемнику, строго контролируемы [4]. Длительность таких импульсов не превосходит 200 нс, а амплитуда давления достигает 2 МПа.

Распространяющийся в геоматериале импульс претерпевает рассеяние на неоднородностях, а также испытывает дифракцию. Рассеянная часть сигнала называется «структурным» шумом. Его характеристики несут информацию о нарушенности исследуемого образца и наличии дефектов в нем. Спектр зарегистрированного сигнала имеет гладкую часть и осциллирующую («шумовую») составляющую. Таким образом, измеренный спектр £ (ю) равен:

£(ю) = £, (ю) + £1 (ю), (1)

где £0 (ю) - спектр гладкой части, рассчитанный по формуле

С / Л Г ( л юа/с0

£о(®) = Кв (ю)

В V / 2 2/2

& + 0 / Со

ехр

4

22

I, (2)

( Кв 0) = -

1

- - дифракци-

Рис. 1. Схема возбуждения ультразвуковых импульсов в режиме эхоскопии: 1 - лазерный импульс, 2 - прозрачная призма, 3 - исследуемый образец, 4 - широкополосный пьезоэлектрический приемник

1 + і2ісй/(аЬ ) онный множитель, Ь - ширина пучка, г -координата 2, с0 - скорость ультразвука в среде), для гауссова пучка

f ^) = е~г 1г° (т„ - характерная длительность лазерного импульса,

У («) = ехр

С ^.22^

ю т

4

- его

спектр), ¿1 («)

- спектр осциллирующей составляющей, связанной с рассеиванием на дефектах. Поскольку («) может быть достаточ-

но точно рассчитан теоретически, осциллирующую составляющую можно найти как разность между экспериментально измеренным и теоретически рассчитанным спектрами:

(3)

(«) = 5(ю) — ¿0 (ю).

При этом ¿1 (ю)| является спектральной плотностью структурного шу-

«Пах

ма, а интеграл | |51 (ю)| dю есть мощ-

«Пт

ность «структурного» шума. Частота юПп определяется дифракцией и характеристиками приемного тракта, а частота юпах связана с затуханием высоких частот в исследуемом образце.

Степень нарушенности внутренней структуры образца будем характеризовать относительной «структурного» шума:

мощностью К

К = -

| |51 (ю)| dю

«Пт

Юпах

| |50 (ю)| dю

(4)

Нормировочный коэффициент в знаменателе необходим для исключения влияния амплитуды эталонного импульса, зависящего от целого ряда меняющихся от образца к образцу факторов (качество акустических контактов, величина коэффициента поглощения лазерного излучения в среде), на абсолютное значение мощности «структурного» шума. Мощность структурного шума должна возрастать при увеличении на-рушенности образцов.

Экспериментальные исследования

Для апробации теоретической модели был проведен эксперимент на образцах мрамора Кибик-Кордонс-кого месторождения. Образцы мрамора представляли собой пластины квадратной формы размером 50х50 мм и толщиной

5 мм.

Для каждого образца измерялись акустические треки методом лазерной УЗ эхоскопии [5] в нескольких точках на его поверхности. Исследование проводилось с использованием дефектоскопа УДЛ-2М при непосредственном поглощении лазерного излучения образцом [5]. Это было связано с тем, что для расчета амплитуды, временного профиля и спектра опорного сигнала необходимо было знать коэффициент поглощения света геоматериалом, который можно было рассчитать из временной зависимости давления в упругом импульсе. Передний фронт возбуждаемых сигналов имел экспоненциальный вид. При этом показатель экспоненты был равен произведению скорости распространения продольных волн с0 в образцах

геоматериала на коэффициент поглощения а лазерного излучения и на время 1 Из данной зависимости определялись локальные значения коэффициента поглощения света в каждом образце. Эти значения для исследуемых образцов мрамора изменялись в диапазоне от 50 см-1 до 70 см-1. Возбуждаемые УЗ импульсы имели характерную длительность от 150 нс до 200 нс, что соответствовало основному частотному диапазону от 300 кГц до 7 МГц.

После этого образцы подвергались полному циклу воздействий процессов выветривания, включая испытания на морозостойкость, солестойкость, кисло-тостойкость, атмосферостойкость и водостойкость. Морозостойкость, солес-

t, мкс

Рис. 2. Временной профиль отраженного акустического сигнала, пришедшего из образца мрамора до воздействия процессов выветривания: I - опорный сигнал, II - область сигнала, несущая информацию о структуре образца, III - донный сигнал.

тойкость, кислотостойкость образцов определялись по ГОСТ 30629-99 «Материалы и изделия облицовочные из горных пород. Методы испытания», атмо-сферостойкость и водостойкость - по методикам определения в лабораторных условиях долговечности облицовочного камня (В.В. Лащук, 1996 г.)

Обработка измеренных акустических треков

Пьезоприемник, входящий в состав дефектоскопа УДЛ-2М, регистрировал акустические треки, состоящие из опорного импульса (I, рис. 2), сигналов, рассеянных неоднородностями образца (II, рис. 2), и донного сигнала (III, рис. 2). По данному треку измерялась временная задержка между опорным и донным сигналами. При известной толщине образца определялась скорость распространения продольных волн в нем. Далее в акустическом треке выделялась область, содержащая опорный сигнал (I, рис. 2) и часть сигнала (II, рис. 2), рассе-

янного на неоднородностях и несущего информацию о структурных особенностях образца. Используя быстрое преобразование Фурье, получали амплитудный спектр £ (ю) (кривая 1 рис. 3, 4)

данной части сигнала. Затем спектр опорного сигнала аппроксимировался теоретической зависимостью £0 (ю)

(кривая 2 рис. 3, 4), рассчитанной с помощью формулы (2) с использованием измеренного значения коэффициента поглощения лазерного излучения образцом. Этот спектр вычитался из результирующего спектра £ (ю) (кривая 1 рис. 3, 4), и в результате оставался спектр £1 (ю) шумовой компоненты (кривая 3 рис 3, 4). Затем вычислялся квадрат модуля спектра и проводилось суммирование по определенному частотному диапазону от юШп до юшах. Полученная сумма определяла мощность «структурного» шума. Затем она нормировалась на мощность опорного сигнала. В результате в соответствии с формулой (4) находилась относительная мощность К «структур-ного» шума, характеризующая нарушенность образца. Для наиболее характерных образцов мрамора Кибик-Кордонского месторождения значения параметра К приведены в таблице.

Таким образом, относительная мощность «структурного» шума для образцов, прошедших полный цикл испытаний, возрастала почти на

ч

и

К

н

о

Со

сЗ

ч

к

ч

к

5!

<

Рис. 3. Спектры акустического трека (1), опорного (2) и отраженного (3) от образца мрамора до воздействия процессов выветривания сигналов. Относительная мощность «структурного» шума К=(3,4±0,2)-Ш3.

Рис. 4. Спектры акустического трека (1),опорного (2) и отраженного (3) от образца мрамора после воздействия процессов выветривания сигналов. Относительная мощность «структурного» шумаК=(2,4±0,2)-102

порядок, что свидетельствовало об увеличении нарушенности данных образцов. Указанные изменения подтвер-

ждались увеличением коэффициента затухания ультразвука и уменьшением скорости распространения ультразвуковых волн при исследовании данных образцов в режиме проходящих волн. Для дополнительного исследования изменения нарушенности образцов, подвергнутых процессам выветривания, они исследовались в режиме проходящих волн на установке «Геоскан - 02М» [4]. По результатам измерений рассчитывались частотные зависимости скорости распространения продольных волн и коэффициента затухания в диапазоне 1 МГц -

6 МГц. Оказалось, что скорость ультразвуковых волн в образцах, прошедших все циклы воздействий, уменьшалась в среднем на 15%, а коэффициент затухания увеличивался в среднем в 2,1 раза.

Приведенные теоретические расчеты и экспериментальные исследования показали, что коэффициент нормированной мощности «структурного» шума может использоваться в качестве информативного параметра для оценки на-рушенности горных пород под влиянием процессов выветривания.

Относительная мощность «структурного» шума К

№ образца

МР 3 МР 7 МР 11 МР 14

До воздействия (3,4±0,2)-10-3 (4,1±0,3)-10-3 (3,8±0,2)10-3 (5,2±0,3)10-3

После воздействия (2,4±0,2)10-2 (3,2±0,2) 10-2 (2,8±0,2) 10-2 (3,6±0,2)10-2

-------------------------------------------------------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Кузькин В. И., Кочетков М. В.,

Ярг Л.А. Техногенное выветривание на рудных месторождения. - М.: «Геоинформмарк», 1993.

2. Шкуратник В.Л. Горная геофизика.

Ультразвуковые методы. М. - МГИ, 1990.

3. Ермолов И.Н. Теория и практика ультразвукового контроля. - М.: Машиностроение, 1981.

— Коротко об авторах ---------------------------------------------------

Закиров А.А. - старший преподаватель кафедры математики,

Иньков В.Н. - кандидат технических наук, доцент кафедры физики, Простяков Р.Г. - студент кафедры ФТКП,

Черепецкая Е.Б. - доктор технических наук, профессор кафедры ФТКП, Московский государственный горный университет,

Moscow State Mining University, Russia, [email protected]

---------------------------------------------------- РУКОПИСИ,

ДЕПОНИРОВАННЫЕ В ИЗДАТЕЛЬСТВЕ

МОСКОВСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО ГОРНОГО УНИВЕРСИТЕТА

Волошиновский К.И., соискатель ученой степени кандидата технических наук, ассистент кафедры АТ, Московский государственный горный университет, e-mail: [email protected],

ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ КОМПЛЕКС УЧЕТА ГАЗА НА БАЗЕ ЭЛЕКТРОННОГО КОРРЕКТОРА SEVC-91 И КОНТРОЛЛЕРА ICP-DASI7188XB

(исходные тексты драйвера) (772/10-10 от 25.06.10) 2 с.

Voloshenovskey K.I., Competitor candidate of science degree at MSMU

MEASURING SYSTEM OF GAS ACCOUNTING ON THE BASIS OF ELECTRONIC SEVC-91

4. Карабутов А.А., Макаров В.А., Чере-

пецкая Е.Б., Шкуратник В.Л. Лазерноультразвуковая спектроскопия горных пород. -М.: Издательство Московского государственного горного университета, издательство «Г орная книга», 2008. - 198с.: ил. lism

CORRECTOR AND ICP-DASI7188XB CONTROLLER (driver source)