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.
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.
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.