Научный журнал
Современные наукоемкие технологии
ISSN 1812-7320
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,916

ИССЛЕДОВАНИЕ ДИНАМИКИ РОСТА ТРЕЩИН В УГЛЕНОСНЫХ ПОРОДАХ ПРИ ИМПУЛЬСНЫХ ВОЗДЕЙСТВИЯХ

Махмудов Х.Ф. 1
1 Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе РАН
Проведены исследования возникновения и роста трещин с линейными размерами от нескольких мкм до нескольких мм на угольных образцах с одновременной регистрацией акустической и электромагнитной эмиссии временным разрешением 10 нс. Микротрещины появляются на поверхности образца на ? 30–45 мкс позже, чем начинает растягивающие напряжения в волне, бегущей по его поверхности. Динамика образования микротрещин имеет выраженный прерывистый характер: Удар вызывает появление собственных колебаний всего образца, а растрескивание угля их собственные колебания. Данный способ позволил зарегистрировать момент образования и роста отдельных трещин в угольных образцах, а также формирование упругих и электромагнитных волн. Параметры акустических и электромагнитных потоков от образующихся микротрещин, позволят в дальнейшем оценить температуру поверхности трещин, акустических потоков концентрации микротрещин и кинетику их развития, долговечность разрушения – оценить изменение функции фазовых переходов.
угленосные породы
образование трещин
электромагнитная эмиссия
акустическая эмиссия
1. Адушкин В.В., Спивак А.А. Микросейсмичность и интенсивность релаксационных процессов в земной коре // ДАН. – 2006. – Т. 408, № 4. – С. 532–534.
2. Веттегрень В.И., Куксенко В.С., Щербаков И.П. Кинетика эмиссии света, звука и радиоволн из монокристалла кварца после удара по его поверхности // Журнал технической физики. – 2011. – Т. 81, № 4. – С. 148–151.
3. Коршунов Г.И., Кротов Н.В., Истомин Р.С. Система мониторинга безопасности ведения горных работ и концепция её внедрения // Народное хозяйство Республики Коми. – 2010. – Т. 19. № 1. – С. 146.
4. Казанин О.И., Коршунов Г.И., Булдакова Е.Г. Оценка уровня безопасности схем подготовки выемочных участков шахт ОАО «воркутауголь» по фактору риска // Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал). – 2004. – № 2. – С. 133–135.
5. Куксенко В.С., Махмудов Х.Ф., Манжиков Б.Ц. Концентрационная модель разрушения твер- дых тел и прогнозирование катастрофических ситуаций крупномасштабных объектов // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. – 2010. – № 4. – С. 29–40.
6. Куксенко В.С., Махмудов Х.Ф., Мансуров В.А., Султонов У., Рустамова М.З. Структурные изменения при деформации природных гетерогенных материалов // ФТПРПИ. – 2009. – № 4. – С. 55–59.
7. Куксенко B.C., Томилин Н.Г., Махмудов Х.Ф., Бенин А.В. Прогнозирование потери устойчивости нагруженных элементов конструкций методом акустической эмиссии // ПЖТФ. – 2007. – Т. 33, № 2. – С. 31–35.
8. Менжулин М.Г., Махмудов Х.Ф., Щербаков И.П. // LAMBERT Academic Publishing. – 2014. – С. 68.
9. Менжулин М.Г., Афанасьев П.И., Трофимов А.В. Влияние детонационных параметров взрывчатых веществ на энергетическую эффективность взрывного разрушения горных пород // Записки Горного института. – 2010. – Т. 186. – С. 63–70.
10. Махмудов Х.Ф. Поляризация мрамора в поле упругих сил при различных температурах // Деформация и разрушение материалов. – 2012. – № 8. – С. 41–45.
11. Махмудов Х.Ф. Термоактивационный механизм релаксации механоэлектрических эффектов в твердых диэлектриках // ЖТФ. – 2011. – Т. 81, вып. 1. – С. 76–81.
12. Махмудов Х.Ф., Куксенко В.С. Электромагнитные явления при деформировании и разрушении твердых диэлектриков // ФТТ. – 2005. – Т. 47, № 5. – С. 856–890.
13. Менжулин М.Г., Махмудов Х.Ф., Щербаков И.П. Термокинетическая модель формирования дефектов и динамика микротрещин в горных породах // Наука сегодня: теория, практика, инно- вации: коллективная монография: в 9 т. / под науч. ред. О.П. Чигишевой. – Ростов-на-Дону, 2014. – С. 159–187.
14. Соловьев С.П., Спивак А.А. Электромагнитные эффекты при релаксационных процессах в земной коре неоднородного строения // Докл. РАН. – 2007. – Т. 417, № 6. – С. 823–827.
15. Baddari K., Frolov A.D., Tourtchine V., Makdeche S., Rahmoune F. Effect of temperature on the physical precursors of rock block failure., Acta Geophysica. 2012; (60)4:1007–1029.
16. Baddari K., Frolov A.D., Tourtchine V., Rahmoune F. An integrated study of the dynamics of electromagnetic and acoustic regimes during failure of complex macrosystems using rock blocks., Rock Mechanics and Rock Engineering. 2011; (44)3:269–280.
17. Catlos E.J., Jacob L., Baker C.B., Sorensen S.S., ?emen I., Linking microcracks and mineral zoning of detachment-exhumed granites to their tectonomagmatic history: evidence from the salihli and turgutlu plutons in western turkey (menderes massif). Journal of Structural Geology. 2011; (33)5:951–969.
18. Inspection and monitoring techniques for bridges and civil structures. Ed. FU. Gongkang. Cambridge, Woodhead Publishing Limited, 2005. – 270 р.
19. Chmel A., Shcherbakov I. Correlated failure initiation in impact-fracturing silica glass and silica ceramics. 2013, J. Non-Cryst. Solids, v. 369. – Р. 34–37.
20. Wang D.-Y., Wu G., Ge X.-r. Acoustic emission characteristics of limestone during compression and fracture after high temperature // J. Shanghai Jiaotong Univer., 2011. – v. 45. – Р. 743–748.

Решение фундаментальной проблемы, связанной с проведением теоретических и экспериментальных исследований процессов деформирования, разрушения угольных пород, а также развитие новых методов прогнозирования и предотвращения техногенных катастроф при добыче угля остается актуальной [3–16].

При добыче на уголь обычно оказывается воздействие в виде удара и истирания. Анализ литературных и собственных опытных данных показал, что первая трещина после удара по угольной породе появляется через некоторое время с запаздыванием. С чем связано это время? Несмотря на несомненные достоинства метода акустической эмиссии, он обладает существенным недостатком: акустический сигнал всегда искажен за счет отражения от границ образца или макроскопических дефектов в нем. Поэтому желательно было бы использовать другие методы, например, эмиссию электромагнитных волн [2, 10, 11, 12, 19]. Это позволило бы провести более детальные исследования зарождения и кинетики накопления трещин в угольных породах. С этой целью использована установка [2], позволяющая одновременно изучать [8, 12, 19] временные зависимости этих видов эмиссии с интервалом 10 нс.

mah1.tif

Рис. 1. Конструкция установки, использованной для исследования АЭ и ЭМЭ при ударе

Материалы и методы исследования

Образцами служили кубики из угля с длиной ребра 30 мм. Конструкция установки, использованной для исследования АЭ и ЭМЭ при ударе, представлена на рис. 1. Эмиссии возбуждали ударом груза 1 массой 50 г, падающего с высоты ? 7 см на стальной боек 2, расположенный на поверхности образца 3 в его центре. Для регистрации ЭМЭ около образцов помещали диполь Герца 4 с длиной плеча ? 50 см. Для измерения скорости волн деформации образцов на их поверхность на расстоянии 3 мм от места внедрения бойка устанавливали квадратную пластину из пьезокерамики (CTS – 19) – 5, длина ребер которой составляла 4 мм в пластине CTS – 19, и диполе Герца подавалось на входы аналогово-цифрового преобразователя 8 (АЦП) ASK – 3106 фирмы «АКТАКОМ» с полосой пропускания 100 МГц. Система запускалась в момент касания груза по бойку. Напряжение на выходе АЦП через каждые 10 нс в течение 1,3 мс записывалось в память компьютера – 9.

Результаты исследования и их обсуждение

Удар по бойку вызывает появление в нем упругой волны, которая добегает до образца за ? 5 мкс. Осциллограммы сигналов при ударе на угольный образец представлены на рис. 2.

mah2.wmf

Рис. 2. Временные зависимости интенсивности, АЭ (2) и ЭМЭ угля после удара

Появление ЭМЭ несет информацию о появлении микротрещин, а их интенсивность пропорциональна площади микротрещин. Детальный анализ формы ЭМЭ показал, что независимо от интенсивности, она одинакова: за ? 10 нс интенсивность достигает максимального значения, а затем уменьшается экспоненциально от времени со средним временем затухания ? = 30 нс. Постоянство этих значений обусловлено особенностями конструкции прибора.

Максимальная интенсивность ЭМЭ, Im пропорциональна площади S трещин: Im ? qS где q – коэффициент пропорциональности. В нашей установке q ? 3,5•10-4 В/(с?мкм2). За ? 10 нс трещины вырастают на ? 10 мкм. Линейный размер самых крупных трещин, оцененный по интенсивности ЭМЭ, составил ? 60 мкм, а самых мелких ? 14 мкм, соответственно.

Оказалось, что микротрещины появляются на поверхности образца на ? 30–45 мкс позже, чем начинаются растягивающие напряжения в волне, бегущей по его поверхности. Динамика образования микротрещин имеет выраженный прерывистый характер: удар вызывает появление собственных колебаний всего образца, а растрескивание угля – их собственные колебания.

По-видимому, только к этому времени они достигают величин, достаточных, чтобы вызвать термофлуктуационные разрывы связей. Появление отдельных трещин, а не только их микросерий должно также приводить к изменению наклона временных зависимостей АЭ. Однако эти изменения незаметны, т.к. меньше шума АЦП. В том, что они действительно существуют, легко убедится, если рассмотреть временные зависимости ЭМЭ. Интенсивность ЭМЭ пропорциональна второй производной от деформации, поэтому даже слабые изменения наклона временной зависимости АЭ должны вызывать резкие, «разрывные» изменения временной зависимости ЭМЭ. Действительно детальное исследование ЭМЭ показало, что этот метод позволяет зарегистрировать появление трещин. Дальнейшим предусмотрено провести следующие работы: провести одновременные измерения динамики импульсов акустической, световой и электромагнитной эмиссии при ударе по угольному образцу, используя построенную в лаборатории установку, позволяющую регистрировать интенсивность указанных видов эмиссии с временным интервалом 1 нс; получить распределения размеров трещин на угольных образцах из различных шахт; измерить времена запаздывания появления первого сигнала указанных видов эмиссии при температурах от 300 до 500 К и различных силах удара, то есть при достаточно высокой температуре разрушение угля также может приобретать коррелированный характер, обычно наблюдаемый в структурно-неупорядоченных материалах (керамики, горные породы и т.п.) [1, 17, 18, 20].

Автор выражает благодарность сотруднику ФТИ им А.Ф. Иоффе И.П. Щербакову за помощь в проведении экспериментов и обсуждение результатов.

Выводы

– Получены характеристики акустических и электромагнитных потоков при образовании микротрещин на угольных образцах в результате удара бойка.

– Удар стальным бойком по поверхности угля приводит к появлению волн деформации и образования микротрещин. Это позволило оценить линейные размеры микротрещин (от нескольких мкм до нескольких мм ).

– Параметры акустических и электромагнитных потоков от образующихся микротрещин, позволят в дальнейшем оценить температуру поверхности трещин, акустических потоков концентрации микротрещин и кинетику их развития, долговечность разрушения – оценить изменение функции фазовых переходов.


Библиографическая ссылка

Махмудов Х.Ф. ИССЛЕДОВАНИЕ ДИНАМИКИ РОСТА ТРЕЩИН В УГЛЕНОСНЫХ ПОРОДАХ ПРИ ИМПУЛЬСНЫХ ВОЗДЕЙСТВИЯХ // Современные наукоемкие технологии. – 2015. – № 12-3. – С. 426-428;
URL: http://top-technologies.ru/ru/article/view?id=35284 (дата обращения: 08.04.2020).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074