автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.11, диссертация на тему:Исследование подготовки и развития разрушения образцов горных пород при трехосном сжатии

НАЦИОНАЛЬНАЯ АКАДЕМИЯ НАУК КЫРГЫЗСКОЙ РЕСПУБЛИКИ ИНСТИТУТ ФИЗИКИ И МЕХАНИКИ ГОРНЫХ ПОРОД

Специализированный совет Д 05.94.09

ггв од

/ На правах рукописи

7-7 ад

МЕДВЕДЕВ ВИКТОР НИКОЛАЕВИЧ

ИССЛЕДОВАНИЕ ПОДГОТОВКИ И РАЗВИТИЯ РАЗРУШЕНИЯ ОБРАЗЦОВ ГОРНЫХ ПОРОД ПРИ ТРЕХОСНОМ СЖАТИИ

Специальность 05.15.11 — «Физические процессы горного производства»

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

БИШКЕК—1994

Работа выполнена в Институте физики и механики горных пород АН Кыргызской Республики.

Научный руководитель: доктор физико-математических

наук Мансуров В. А.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, чл.-

корр. АН Республики Казахстан Ермеков Т. М.; кандидат физико-математических наук Манжиков Б. Ц.

Ведущее предприятие: Институт Сейсмологии АН Республики Узбекистан.

Защита диссертации состоится 29 июня 1994 г. в 9 часов на заседании специализированного совета Д 05.94.09. в Институте физики и механики горных пород АН Кыргызской Республики по адресу: 720035, г. Бишкек, ул. Коммунистическая,' 98.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института.

Автореферат разослан _ 1994 г.

Ученый секретарь Специализированного совета ■кандидат технических наук

Никольская О. В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТУ

' Актуальность работы. Дальнейшее увеличений добычи полезных ископаемых связано с разработкой месторождений на больших глубинах и в сложных горно-геологических условиях. С переходом горных работ на большие глубины- геомеханические процессы -в массивах пород претерпевают, качественнне и количествешше изменения. Горные породи, залегакоде глубоко в недрах Земли, выдерживают,полностью или частично вес налегающей толщи пород, а также горизонтальные, чаще всего - сжимающие напряжения. -- ,

Ведение- горных работ изменяет естественное поле напряжений, что в некоторых случаях приводит к разрушению горних пород, протекающему катастрофически в виде горных ударов, выбросов уг~: и газа. Необходимость'прогнозировать эти динамические явления, предупреждать "и'исключать их вредные последствия стала вакнеймей экономической ' и социальной задачей народного хозяйства и потребовала серьезного внимания к научной стороне проблемы.

Первостепенным!! в плане их прогноза являются исследования условий-деформирования горных пород, приводящих к хрупкому или вязкому типу разрушения. Знание закономерностей подготовки того или иного типа разрушения открывает возможность прогноза на основе мониторинга состояния контролируемого объекта. Сложность таких исследований в массиве горных пород из-за неопределенности места и времени проявления разрушения не позволяет организовать детальные-наблюдения и получить статистически значимый материал (данные)'.., .'

' В.связи ' с - этим, экспериментальное лабораторное изучение процесса разрушения горных пород в условиях, адекватных реальным, существующая' в - массиве при ведении горных, работ является чрезвычайно важной и актуальной задачей.

Поэтому данная'работа посвящена исследованию закономерностей деформирования и разрушения горных пород в условиях объемно-напряженного состояния, и выявлению особенностей, определяющих тот или иной тип разрушения. ■

Работа выполнена в соответствии о - планом научных исследований . ИФиМГП АН Кыргызской Республики по теме: "Разработать и внедрить в практику народного .хозяйства методы оценки-'опасности и комплекс мероприятий для уменьшения ущерба от землетрясений, цунами и вулканических извержений"

(Гос.рег.01870004739. Утв.пост. ГКНТ СССР' 10.11.85г. Б7?/137.у.

Поль работы - установить закономерности■процесса .подготовки.' и развития разрушения в образцах горных пород. .при трехосном сжатии для • разработки , методических основ, прогнозатипа разрушения.

Идея работы заключается в. использовании' •йксп&'рш^энталыю установленных закономерностей. акустической, эмиссии . (АЗ) „ /..для прогноза характера готовящегося разрушенияУоршх:' Задачи исследований: ...

■ I,. ' Разработать и создать- • установку для \исе.шдования деформирования и'разрушения образцов горных пород.'.при .трехосном сжатии, в условиях высоких, давлений. - ч.

, 2. Развить методику регистрации акустической змяссш и деформащюншх,'характеристик, процодса деформирования и разрушений образцов, горных .пороД- при "трехосном нагрукенш. ■ ■'.

3. Йссл0до(а|1ть, • закономерности деформирования и выделения упругой энергии в'ьиде;АЭ'при погружении', образцов горных, пород в- различных.иапряхенных йостРяниях.- • • ■ -.•'." .-

-4 ..' Определить прогностическиё признаки подготовки, 'хрупкого и вязкого, типа; разрушения. ;

Методы '.исследований■'-• Для, достижения-- .поставленной цели примонеи кошлекс.-совреме1Шых методов ' исследования, включающий обобщение-и-,анализ'литературных''данных..по' подготовке ■ хрупкого' и вязкого разрушошя горных'- пород .лабораторное изучение процессов-дефоршфования л ' разрушения в ■ условиях, моделирующих реально' существующие в массивах - горных пород, .с привлечением; методов деформометрвд и дефектометрш,- статистическая обработка,.1-анализ, ir научное обобщение результатов -исследований.

Основные научные.положения; чыдвигевмыа. на защиту: I . Экспериментально- полученные' закономерности деформирования и разрушения- в/.условиях: слошо-папряженного Состояния., * При увеличении'компонент напряжений а2=-о3 (бокового давления) - и переходе'от хрупкого типа разрушения к вязкому:. -.' . .'.'.' •'.

■'- зависимость. ,суммарного.' акустического ' энерговыделения от бокового давления неоднородна и имеет локальный максимум;

. ' - коэффициент вариации амплитуд акустических сигналов (¿C) снижается; ,; '■ - . \ •'..'. • '' ■ •'- . • '

- .кумулятивная кривая накопления-АС изменяет- свою кривизну и переходит- от" ускоряющегося "нарастания .(кривая .вогнутая) - к

зомэдлягошемуся Зарастанию (кривая илтукла.т); . . - энергетические спектры ЛС (графики .','повторяемости) изменяются в соответствии с закономерностью йзменёния суммарного' акустического энерговыдоления. , •

2. Экспериментально установленная и физически обоснованная область перехода . от хрупкого тша / разрушения' к вязкому, при повышении уровня 'бокового давления. Границей хрупко-вязкого перехода является', максимум на за'исимости суммарного акустического,энерговыделения от величины бокового давления. '. - Достоверность научных подоконий и выводов диссертационной 'работы . . обеспечена комплексностью / проведенных' исследований физико-М0хйШ1ческих свойств горных пород, широким, диапозоном. условий эксперимента, большим \объемом ■ испытаний на различных типах пород (свыше 300 образцов" мрзмрра'.и песчаника), разработкой специальной исследовательской аппаратуры, Повышающей надежность. результатов исследований определяемых.- физических '. параметров,, тщательностью отработки методик, эксперимента.' " Подтверждена достоверность " положительными -результатами . статистической проверки, проводетой с помощью-ЭВМ. ; • . "

■'. -. Научная- Новизна работы заключается в следующем; ,

г- установлен общий вид зависимости суммарного акустического энерговыдвлёния от; бокового давления, при трехосном сжатии горны:, пород. ¡Экспериментально- изучен й объяснен механизм влияния бокового давления на баланс акустической энергетики;

.. -.установлена область перехода от хрупкого.типа 'разрушения .к .вязкому при повышении уровня бокового, давления, определяемый по .максимуму,из. зависимости суммарного акустического энерговвд'элэния .от величины бокового давления. . . , ■

- установлены закономерности- изменения параметров'". АЭ, которые предложено использовать'для прогноза хрупкого- и вязкого, типов разрушения.. .■:'.''•' .• ' '/■ ' '

-'... Личный вклад автора состоит в разработке и создании, испытательного ■ стенда, позволяющего' тгроводить комплексное исследовпние. фийшсо-механическйх. свойств горных, пород в условиях,, адекватных глубинному, залеганию, развитии и усовершенствовании, методики . испытаний . на трехосное скатио, разработке ; методики регистрации АЗ-я-, деформащюшшх параметров, 'разработке пакета прикладных программ для , математической обработки получаемой .информации . на, ЭВМ, . установлении 'обцой зависимости суммарной

. й"

акустической энергии от бокового давлений, гсраг^дащ ураиздз хрупко-вязкого' перехода в характере разруе®яа<з, вкяелзмйв ряда акустических йритериов, имеющих прогноетячбскуш при

определении типа готовящегося разрушения, ' •Практическая значимость работы.

1.,Экспериментально полученные невде ларкэстй могут

служить методологической базой для осупветдйзнкя прогноза хрупкого- или вязкого типа разрушения, а тагшз прочностных, деформационных и дилатансионннх свойств пород в широком диапозоне изменения внешних условий для выбора путей и методов воздействия на 4 породу о долью приведения ее в требуемое механическое состояние. •

2. Установленная зависимость максимально возможной анергии акустического сигнала от параметров графика повторяемости - дает .возможность расчетным путем оценить энергетичность готовящегося разрушения и прогнозировать динамичность его протекания

■ 3.'Разработанное уникальное ■экспериментальное - оборудование позволяет проводить комплексное исследование физшш-мехашческих свойств горных, пород (прочлост!шх, дефармационшх, изменение объема, развитие трощгаюватости, склонность ■ к хрупкому рязруиегшя, баланс энергии разрушения и др.) до предала и за проделом прочности при широкой вариации видов напряженного состояния, г/у той нагрукония, скоростей деформации.

Реализация работы. Разработанная методика исследований влияния бокового давления на физико-механические свойства горных пород использована в Государственных стандартах: ГОСТ - 2ПБЭ.Б-83 "Породы горные. Метод определения предела прочности при срезе со сжатием." и ГОСТ 21153.8-88 "Породы горные, "етод определения предела прочности при объемном шштии." Разработанные методические основы прогноза типа разрушения использованы при ведении сайсмоакусптчоского контроля на ■ руднике Ш-2 Янгнабадского ППО "Восток".

Апробация работы. Основные результаты исследований докладывались и получили положительную оценку на Всесоюзном симпозиуме "Современная техника и методы экспериментальной минералогии" (Черноголовка, 1983), научно-техническом семинаре по горной геофизике (Батуми, 1Э85), II Всесоюзной школе-семинаре "Физические основы прогнозирования разрушения горных пород" (Фрунзе, 1985), VII Всесоюзном совещании "Физические свойства

горных пород при высоких давлениях и температурах" (Ереван, 1985), Всесоюзной конференции "Горная геофизика" (Тбилиси, 1987), Всесоюзной школе-семинаре "Физические основы прогнозирования разрушения горных пород" (Иркутск, 1988), V Всесоюзном семинаре "Горная геофизика" (Тбилиси, 1989), IV Международном симпозиуме "Избранные • проблемы геомэханики.. и. горного строительства.' на больших глубинах" (Польша, г.Гливице, 1990). "■.'"' Публикации. : - . .

По томе диссертации опубликовано 18 печатных работ.

В 'основу диссертации положены экспериментальные. и теоретические исследования, вштолнвшшв лично автором. '

. Объем работы. Диссертационная работа сострит из введения,' 4 глав, заключения, списка использованных литературных источников из 237 наименования и приложения. Обидой объём работы - 1&5 страниц том число: 2 таблицы, 37 рисунков, 126 страниц машинописного текста. :

■ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе отмечены структурше условия деформировашя и разрушения горных пород, проведен обзор существующих моделей деформирования ' и разрушения, рассмотрены основные результаты исследований разрушения горных пород при трехосном сжатии.

./Существенный вклад в изучение процесса разрушения внесла кинетическая концепция прочности твердых тел, развитая Бурковым С.Н. и ого школой. Вскрыта принципиальная возможность • решения задачи прогноза разрушения путем введения параметра времени в формулы ■ для ' прочности. Уравнение Журкова ' связывает-, время н0х6вдёййя-образца-под нагрузкой с механическим напряжением и температурой тела, В работах Куксенко : B.C., Ставрогина А.Н., Мап' -'рова,-'В.А.г Манжикова Б.Д., Томашевской И.С. и- др. показана применимость уравнения для долговечности горних пород. Однако для многих, практических задач оно непригодно вследствии низкой логарифмической точности и' неопределенности некоторых параметров.

- Предположения о статистической природе, прочности были высказаны Александровым,А.П. и Курковым С.Н.•и развиты в работах Войбулла В., Френкеля Я.Н.Конторовой Т.А. , Фишера Дж. и Доломона Дж., Афанасьева H.H. и , др. Особое место занимает

отатиотичеокая модель деформированного неоднородноготвердого тела, разработанная Ставрогшшм А.Н. 'Деформацио1шый.процесс в ней рассматривается на уровне структурных элементов и оШ включает А-себя механизм реализации как сдвиговых, так /я - отрывных; напряжений. Модель хорошо объясняет переход от. /хрупкого,'типа разрушения к вязкому при повышении бокового давления,- • через изменение соотношения едаигавыхи цтравных.йкто^ мшфоде|ормации, валедотвии препятствия бокового давления ' образоВанию-'- Отрывных' ■трещин. ' , ', ; ; .

Поокольку в естественных условиях. залагания'.В' Массивах' горные порода /находятся в сложнонапряжешюм ' .состоянии • q правайфующим воздействием сжатия, большое внимание': уделяется исследованию, процессов .деформирования и разрушения-:'* образцов горных пород'в условиях всестороннего' сжатия.. ■ ' . " /... -Зкспвриме'нтн со. всесторонним давлением проводят в камерах типа Адамоа (боковое. да'влещш", создается реакцией металлических Матриц); в аппаратах •типа" -Кармана'. (cjjk^'Ogicotist ); . применяют «¡шорцй0йальрсэ;нафдаЦйв*' (о'^/02=С, q2oá); проводят испытвния Ьри :дв5й{овн0й.и'• •трвзюоноа*''кагружваш.- Кроме . того .проводились Испытания пород"на5'срез!' (Jaeger >J,G.), ;кручеше' (Фомашёвская to.С., Hepdln Н||йэ'D., O'Brierí J.), изгиб. (Воларович . Ы.П., Стаховская З.И. ) и ,сжатие icq;сдвигом (Glardlñi A.A.;, Abéy i.£«).'.в условиях.всестороннего Давления.:

Общая . схема (Bernaix - J. ) поведения торной . породы : при увеличении!нормальных напряжений представлена на рисЛ, где цифры, 1-4 обозначают урловные последовательные' втвды изменении характера деформирования с ростом о: I - .упруго-хрупкое поведение, трещины раштаются . ш 2' - .скол- цод-

действием касательных'' .'напряжений, ; направление движения "ориентируется" трещинами; 3 - Деформация" распределена.' в - воне скола и сопровождается уве -чтащем объема ,'. (дилатансией); 4 вязкое поведение, деформация осуществляется во всем' объеме и не сопровождается дилатансией. Приведенная 'интерпретация,; ; о точностью до деталей,,особенностей поведения конкретных пород • и терминологии имеет достаточно широкое признание (liorlier Р., Wawérsik W., Brace W.F., Соболев Г.А., Шамина О.Г., Воларович М.П., Бакиев Муз.Х., -Штиллер X.,. Лебедев.Т.О. й др.)' , .'/ ■'

В реальных условиях ■■ залегания пород '.-'. определение' напряженно-деформированного состояния прямыми методами зачастую

Рио.1. Изменение механизма деформирования при повышений бокового давления.

■чрезвычайно затруднено, а ■ иногда /вообще' невозможно. Поэтому, особенно важно /разработать пассивные, методы, ; Позволяющие по изменениям физических полей получать из труднодоступных, участков массива или земной коры информацию о напряженно-деформированном состоянии, о направлении протекающих процессов, о типе и степени опасности готовящегося разрушения. По состоянию на сегодняшний день-эта,йро0лема находится только на начальной стадии своего разрешения. .. "' .

- Во второй главе изложены физические основы метода АЭ и приведен'обзор по: его использованию в исследованиях процесса разрушения, описана экспериментальная установка для трехосного йагружения горных пород, методика проведения: эксперимента . и методика обработки данных.

Для выполнения поставленных в работе задач создана установка высокого давления, позволяющая проводить исследования разрушения образцов горных пород при трехосном, сжатии по схеме Кармана (о^^^д^сопаI) методами деформометрий. • и АЭ с детальной регистрацией параметров акустических сигналов на ЭВМ.

Разработанная методика предусматривает испытания образцов горных пород на трехосное сжатие в режиме постоянной производительности силовой установки пресса,' обеспечивающей скорость нагружения примерно ¿^0,2 МПа/с по оценке в упругой зоне диаграммы "напряжение-деформация".

Акустические сигналы регистрировались в режима реального времени и после эксперимента обрабатывались на ЭВМ совместно с данными по нагрузке и деформациям. Разработан, специальный пакет прикладных программ, позволяющий проводить статистический и корреляционный анализ параметров ЛЭ.

• / В третьей главе рассматриваются результаты исследования влияния бокового ' давления на механические - показатели и микроструктуру деформируемых образцов горных пород;,' кинетика ■разрушения и.особенности ЛЭ при одноосном и трехосном нагружении..

Установлено повышение прочности и'модуля упругости мрамора и , песчаника с ростом бокового давления.

Поведение мрамора при низких давлениях (0,1+3,0 Ша) носит хрупкий характер. Образцы разрушаются по множеству плоскостей с ..сильным дроблением материала. При высоких давлениях . (30 МПа) поведение мрамора носит вязкий характер. После достижения предела прочности продолжается квазипластическое деформирование,.

.окончательного разрушения не происходит.

Образцы песчанш^а при 1ШЗКИХ давлениях разрушаются 'хрупко,. ■ по множеству плоскостей с. сильным дроблением материала. - При давлении 50 МПа зона разрушения стягивается к одной плоскости. При дальнейшем повышении давления зона дробления "материала в . плоскости"., магистрального' разрыва' увеличивается;' характер разрушения становится, более, вязким. - ' •

, jaióiM;'образом, :' эксперимент«'• подтвердили, ; что. 'увеличение бокового давления вызывает, повышение пластичности, пород. Тип разрушения соответственно изменяется от более хрупкого к. менее хрупкому и далее - к вязкому. При этом" изменение внутренних процессов.сопровождается изменением параметров A3.

•.Установлено, . что переход от одноосного сжатия к трехосному и дальнейшее "повышение бокового давления изменяет параметры : A3 следующим: образом. .. '■ I. Количество АС за время испытания образца для песчаника возрастает (с 10.ООО до 50.000,АС), для мрамора уменьшается (с 1800 до 800 АС). . ■

. ' 2. Максимальная, активность A3 для обеих пород уменьшается (для песчаника со 100 до 20 с-1. для мрамора - со 180 до 20 с-1).

" 3,- Средние длительности АС для обеих пород уменьшается (со 120'до 100 кжс для пёсчаника и с 85 до 70 мко для мрамора).

4.- Энергия сигналов для обеих пород уменьшается. Отмечается .'характерное для любых давлений снижение уровня средневыборочной ' энергии 'к 'моменту достижения предела прочности- .Энергия 'АС 'мрамора на порядок ниже энергии АС песчаника.

:'-' --5. Амплитуды АС песчаника для всех условий. ' испытаний . находятся в пределах 0,6 мВ, . отмечается возрастание в начале. ..нагружения'и• убывание перед пределом щючносэд.' Амплитуда АС . мрамора уменьшаются от 0,5 до 0,3 мВ. . ■'

, 6.'Коэффициент вариации амплитуд АС уменьшается (с 2,5 до 2,0 для песчаника и менее заметно для мрамора) и значительно снижается размах колебания средНевцборочшх значений коэффициента - вариации, что указывает -на''повышение' стационарности протенащого . процесса и может быть • применено в комплексе оценок степени ■хрупкости готовящегося разрушения. - . Проведенный анализ микроструктуры исходных и деформированных образцов показал, что с увеличением бокового давления .возрастает количества кристаллов с -'тм синтетическими денниками, ■ : II '

интенсивнее развиваются процессы 'катаклаза . и ^кристаллизации* появляются новые вогнуто-выпуклые контакты, возрастает количество треда сдвига, разноориентированных минеральных - ьнутризерновых 'трещин и 'ориентированных-..открытых протяженных трещин ,' ■ следующих-через весь шлиф и располагающихся параллельно,оси нагрузки огили под углом к ней до ,45°. -/'• %.- ' :;'./; / ..",

С увеличением бокового давления и,'нагрузки - увеличивается площадь пустотного пространство*, но при боковом давле!- я; - а^.^ ЫПа. наблюдается максимум . всех, трещинных '. параметров, . средний размер хорд пор и трещин.достигает 30'микрон -и,- уменьшается при более высоких боковых/давлениях. При этом большая концентрация трещин способствует переходу о'г хрупкого характера' разрушения' к болео. вязкому. . '-'.'/ *'"' ;-..- -.'' . - -

■ '•" - В четвертой- главе исследована возможность идентификация тзда готовящегося Л-разрушения -.по,- .'данным АЭ: - проанализировано трещшооОразойание, накопление трещин, активность АЭ и энергетика акустической: ^шссш1 «ри развитии хрупкого и вязкого разрушения, выявлены 'обще закономерности/' / •. . ' /. ;:./ .,-..' . ,

■-' Установлело,-;' " - что '"'. куммулятивная: ..кривая" . накопления акусгмческих- /сигналов^'-4' отражающая процесс 1 накопления и объединения трещин,''' для, ~ различных '- условий лагружения V имеет . отчетливо - выраженные -.'особенности при., подготовке . хрупкого - - и вязкого разрушения.1 /. / *.., /' '/■- '.,/."•

'."-.. . "При подготовке/хрупкого ; разрушения в ' условиях одноосного ■сжатия накопление .сигналов просходит по возрастающей . экспоненте . (рис.2а), имея начальный■ участок более пологий, близкий к прямой линии;•средний участок.-"плавно возрастающий.и конечный участок -/круто возрастающий. . Этц участки-кривой накопления отображают соответственно'1. ;: процесс', . . дисперсного/ некоррелированного трещинообразования (т. ¿¡;й и второй-- участки) и процесс кластеризации - ускоренного объединения, и .роста -трещин ' (трети«' участок). Кумулятивная кривая накопления АС вогнутая. - .■■:.■■-'

Г /' Прй.перёхо'де от.одноосного нагружения к трехосномупо 'мэре 'увеличения бокового давления кумулятивная кривая накопления АС становится близкой к прямей лиши (риз.26). /, /. :,,//Цри . подготовке'' вязкого' разрушения в . условиях высокш . давлений происходят последующие изменения'.' характера накоплен» -сигналов и кумулятивная'кривая становится выпуклой (рис.2в).

На' основании результатов проведенных исследований мок»

Т. »г*

Т, .1«

Рис.2. Кумулятивные кривые накопления АС песчаника: а - о2=Ю; б - о2=50 МПа; б - ог=235 МПя.

заключить, что зависимость комулятивной'кривой накопления. АС от величины напряжений ог=а3 .является не свойством отдельной породы., , а ■ общей закономерностью, процесса разрушения, " что открывает, возможность в. обратной 'задаче при наличии, данных .'. лишь акустической эмиссии по кривой накопления АС оценить уровень. действующих'..напряжений о2=о3 и прогнозировать степень хрупкости готовящегося1 разрушения. ' -' '

На ■ гистограмме изменения активности : ,АЗ .' (рис.За) - при подготовке хрупкого■ разрушения (одноосное . сжатие) отчетливо выделяются две,"стадии: '; длительная стадия низкой активности и «короткая стадия -'высокой активности.

. При трехосном' сжатши по мере повышения .бокового давления, т.е. по мере перехода от хрупкого разрушения к вязкому, на первой стадии ■ развития разрушения рост активности из прямой линии (рис.За) трансформируется в выпуклую кривую (рис.Зб), образуется локальный максимум активности. С. повышением давления, в камере " область локального; максимума активности становится короче, по * 'времени и - ее.' положение на гистограмме смещается к ' началу нагружения (рис.Зв).' Для всех условий испытания сохраняется возрастание активности вблизи предела прочности.

Таким образом, характер изменения активности А9 позволяет идентифицировать тип готовящегося разрушения. Длительное слабое нарастание активности и резкое усиление соответствует подготовке хрупкого разрушения, наличие локального максимума активности на начальной стадии соответствует подготовке вязкого разрушения, .что в условиях массива может означать меньшую . удороопасность . ситуации.

При анализе энергетики АЭ энергия . Е^ каждого .АС рассчитывалась с-. точностью до постоянного коэффициента как Е1=Л1%' где А ~ амшштУДа огибающей АС и В - длительность АС на ' пороге дискритнащш.. Суммарное ' акустическое энерговыделение Е определяется как сумма энергий всех зарегистрированных АС от •момента начала осевого нагружения до момента достижения предела прочности •

Результата первой . серий испытаний образцов мрамора и-песчаника при повышении- давления в камере от. эксперимента к . эксперименту показали,. что • прочность обеих пород закономерно -возрастает, однако яри этом суммарная акустическая энергия "у песчаника возрастает, а у мрамора - снижается,

■ Для объяснения хода указаниях зависимостей Сала выдвинута гипотеза, согласно которой при одних и тех ко, боковых давлениях мрамор и песчаник . находятся , в относительно V неравнозначных условиях вследствии значительной разницы в прочности -слагающих минералов. Поэтому повышение суммарной энергии АС у ■ песчаника и снижение''-у'мрамора являются фрагментами одной общей зависимости Е(аг), охватывающей более и; рокий диапазон боковых давлений.

.Последующие эксперименты- подтвердили .гипотезу. Общий вид зависимости"суммарной акустической энергии от бокового давления Е(о?) идентичен для мрамора и песчаника и состоит из участка роста энергии, максимума (при о?=100-150 Ша для песчаника и '3 МПа для мрамора)'и участка снижения энергии (рис.4). ' '

- „ УТановлешшя зависимость объясняется в рамках статистической модели Ставрогина А.Н. с привлечением ■ результатов исследований физической природы АЭ в горных породах.

Увеличение бокового давления (напряжений о2,о3) повышает прочность пород, препятствуя образованию, и росту микротрещин, ориентированных вдоль оси действия максимального еншмающего 'напряжения о1, путем упрочняющего воздействия о2 на площадки отрыва в микроструктуре образца . и путем деформационного упрочнения но площадкам сдвига. При этом возрастает механическая энергия деформирования и разрушения образца и, соответственно, акустическое энерговыделениэ.

Одновременно происходят изменения в механизме деформирования: усиление блокировки отрывных тренога с ростом ог~о3 делает энергетически более выгодным деформирование путем сдвига, возникают микроскопические плоскости сдвига. По меро достижения определенной для каждой породы величины давления о£ в зависимости от соотношения прочностей на . отрыв и на сдвиг разрушение по площадкам отрыва становится сове; пенно невыгодным и происходит путем чистого сдвига по плоскостям, орйентировашшм под углом ~45° к оси Ор Поскольку сдвиговые процессы менее энергетичнн, чем отрывные, изменение механизма деформирования от отрывного к сдвиговому уменьшает акустическую энергетику процесса. ■

Конкуренция указанных тенденций повышения и снижения акустической энергии при увеличении напряжений ог=а3 и определяет итоговый, баланс в акустической энергетике в каждом конкретно/* случае. Кривая, зависимости Е(ог) образована, по сути, путе/»

?абЛ., Зависимость суммарного акустического энергошдолапия от величины бокового давления (а - мрамор, .6 песчаник).

TiioM.

I 8 '

графического сложения двух функциональных/, зависимостей, отражающих обё тенденции в энергетике АЭ. Этим и. обусловлена ее характерная форма с локальным максимумом. .Облает^ максимума - это те условия,. то. напряженное состояние, , при *. котором разрушение сопровождается выделением наибольшей упругой энергии,- а значит., порода наиболее удароопасна в случае динамтеского разрушения.

Такое представление о механизме изменения энергетиш АЭ при повышении боковогб давления подтверждается данными прямых .наблюдений: микроструктурный анализ показал, что, максимум ,'энёрговыДеления на зависимости Е(о2) соответствует" наибольшей концентрации в породе отрывных трещин, приводящих, к хрупкому разрушении. 1 -

Таким образом, максимум на графике зависимости Е(о?) можно трактовать как границу перехода от хрупкого типа разрушения к вязкому. А' поскольку описанные процессы, протекающие при повышении бокового. давления, согласно представлениям, статистической модели. деформирования ; и;, разрушения; и экспериментальным фактам, не определяются типом породы, есть' основания считать, . что установленная- закономерность является универсальной для любых типов порюд.' -

Анализ распределений количества АС по энергиям, показал возможность оценки максимальной возможной акустической энергкл при динвмическом разрушении' путем экстраполяции графиков повторяемости до пересечения с осью энергий. . Более детальные исследования в этом направлении с учетом доли энергии АЭ в общем энергетическом балансе процесса разрушения в дальнейшем обеспечат возможность по набору регистрируемой энергии произвести* .оценку максимально возможной величины механической энергии, выделяющейся при динамическом разрушении горной породы. . '

-■' Обобщение установленных закономерностей изменения параметров АЭ с учетом их. прогностической значимости дает, возможность предложить структурную схему прогноза хрупкого разрушения на основе анализа АЭ опасного участка (рис.5). Разумеется, практический прогноз хрупкого разрушения в натурных условиях по предложенной.схеме возможен'лишь после предварительных натурных исследований, включающих сбор,, обработку и анализ данных АЭ массива. "

Рис.5. Структурная схема прогноза хрупкого разрушения на базе данных АЗ.

ЗАКЛЮЧЕН®

В "-; диссертации получен ряд новых, вксперименталышх результатов и закономерностей, распивающих физическую природу формирования механических свойств горных пород- при , высоких, давлениях* на основе которых может быть, построен прогноз хрупкого. или вязкого'типа готовящегося разрушения. . - '

• 'Основные '-'научные и практические результаты ! работы заключаются'в, следущем. ..',.' '• * . - .

'Г.- Разработана и создана установка для исследования деформирования и разрушения образцов горных пород при трехосном .саатин в условиях высоких ' давлений. Разработана методика регистрации акуотичеркой эмиссии и деформационных характеристик процесса деформирования и разрушения образцов горных пород при трехосном цагруконий.. '

' - 2. Разработан пакет прикладных программ для математической обработки'"регистрируемой информации и таблично-графического вывода результатов обработки.:

" . 3. Установлен общий вид зависимости суммарного акустического енерговыДеления от бокового давления при трехосном сжатии горных .пород.', ■

4. Установлена область перехода от хрупкого типа разрушения К вязкому,! при 'повышении уровня бокового давления. Границей хрупко-вязкого .перехода является максимум на зависимости суммарного акустического энерговыделения от . величины бокового давления: ' /,'-: , ■ -" .

.-."'..'\,-Б. -Остановлены закономерности изменения • параметров Ад,-Которые- предложено1 использовать для прогноза хрупкого и вязкого Типов разрушения. При увеличении компонент напряжений' о2=о3 (бокового давления)■и переходе от хрупкого типа разрушения к вязкому: ■,

' -'коэффициент-.вариации амплитуд АС снижается; А кумулятивная кривая накопления АС изменяет свою кривизну и переходит' От ускоряющегося нарастания (кривая .вогнутая) к замедляюшемуся нарастанию (Кривая-выпуклая); ' ...

'".■-"• энергетические ' спектры АС (графики .. повторяемости) изменяются в соответствии, с закономерностью изменения суммарного . акустического энерговыделекия.

Я1

Основные положения диссертации опубликованы в работах:„

1. Мансуров В.А., Медведев В.Н.■ Влияцце ., структурных нводнородностей на прочностные и деформационные свойства горных пород // .Физика и . механика очага разрушения' горных пород.-Фрунзе: Илим, 1983. •

2. Мансуров В.А.-,-. Медведев В.Н., ЮрельГ.Н, .Экспериментальное исследование изменений; происходящих в';- образцах - поликристаллов кальцита при деформировании в условиях высгбких давленийЛ//' .Тез. докл. Всесоюзн. симпозиума "Современная •• чзфхн&ка• метода экспериментальной минералогии".- Черноголовка,'1983;.

• '3. Айтматов И.Т., Мансуров В.А., Медведев /В.Н.;'\Тилегвнов К.Т., Гайворонский Г.Б. Лабораторные исследования по прогнозу разрушения горных цород // Тез.'■■докл. науч.-техн. семинара по. горн, .геофиз.- Батуми,.' 1985.'- .'■'"■'

; Медведев В.Н., Мансуров. В.А. Сейсмоакустичвская . эмиссад при 'разрушении/ горных* пород ,в " условиях : сложно-напряженных состояний // Теф.. докл'. "н^уч.-техн. семинара по горн, геофиз.-Батуми, 1985.'-

Мансуров В.А. , - Медведев . В.Н. • Особенности .' формирования спектра акусйческой' эмиЬсии -торных, пород. при испытании в условиях врестороШдго.;.давления'; 7/ Тез;'; докл. II Всесоюзн. тиколлгоешшара-; -.-^Физические"'• основы . прогнозирования разрушения горных пород".'- Фрунзе:;-Илим,.. 1985.

. .6. Медведев В.н!, Мансуров В.А. Связь процессов разрушения в горных породах с прочностными и деформационными свойствами при высоких давлениях // Тез. докл. VII Всесоюзн. ' соврщ, "физические свойства горных пород при высоких давлениях ' и 'температурах" Ереван, 1985. . ..' . ".'•', ■. ■:'.". ''.-''

V. Мансуров В.А., .Медведев В.Н.., ЮрельГ.Н. Деформирование полшсристаллических образцов . кальцита , в . условиях , высокого давления ;// Современна техника и "методы- экспериментальной минералогии.--М.:. Наука, 1985...

.8 v Гайворонский Г.Б.,. Медведев В.Н., Тилегенов ,.. К.Т.,■ Сыдыкова. A.C. ' Автоматизация экспериментальных ислодований процесса разрушения горных пород методом акустической эмиссии // Напряженное состояние горных пород и их разрушение.- Фрунзе': Илим,. 1986. ". - ' ' ■■ ' -.'. : ._'. ■ '"■';_'.' - ■

9. Медведев В.Н. Изменение параметров АЭ горных пород в . условиях высокого давления //Напряженное состояние горных пород

2 Я

и их разрушение. - Фрунзо: Илим, I98C.

/10. Мансуров В.А., Медведев D.H., Орлов-B.C., . Торгоев И.А. Сейсмоакустический контроль процесса разрушения целиков и выделения упругой .энергии // Тез. докл. Всееоюзн..' конф. Торная геофизика".- Тбилиси: Мецниеребз, 1987. •

11. Медведев В.II. (в сост.колл.авт.) ГОСТ 2II53.5-88. Порода горние. Метод определения ггредела прочности при срезе со сжатием. М.: изд.Стандартов, 1988.

12. Медведев H.H. (в сост.коля.авт.) ГОСТ 21153.8-88 Порода горнно. Метод определения предела прочности при объемном сжатии. М.: изд.Стандартов, 1988.

,13. Мансуров В.А., Медведев В.Л.' Исследование характерных особеностей процесса разрушения горных пород при сложно-напряженном состоянии // Тез. Всееоюзн. школы-семинара "(Гизические основы прогнозирования разрушения . горных пород".-Иркутск, 1988.

14. Мансуров В.А., Медведев В.К.. Влияние напряженного состояния,!«) разруионио горних пород // ФТПРЛИ.- 1989.- JS 4.

If>. Мансуров В.А., Медведев В.II.,''Гилегенов К.Т., Ли P.C. Комплексный метод геофизического контроля процесса подготовки разрушения // Тез. V Всееоюзн. семинара "Горная геофизика".-ч.П.- Тбилиси, 1989.

IG. Мансуров В.А., Медведев В.II. Поведение, горных пород на больших глубинах // IV Symposium "Wybrane problemy geomechaniki 1 budovmlctwa gornicsego na duzych glebokosclacli", -Zescyty. naulcowe poltteohniki,slaskiej. - GHwice, 1990.

17. Мансуров В.А., Медведев: В.П. Активность акустической эмиссии и накопление сигналов как функции наг/ряженного состояния // ФГПГПМ.- 1990.- J* Б.

18. Медведев В-ГГ. Графики повторяемости-при трехосном сжатии горных пород // Напряженное состояние и разрушение горных пород.-Бишкек: Илим, Т99].

S) •■ '■'<

VICTOR H. '¿EBVEDEV

'INVESTIGATION OF THE PREPARATION AND DEVELOPMENT. OF CRACKS IK MOUNTAIN ROCKS SAMPLES UNDER' TRIAXIAL COMPRESSION

On |he.'basis of the preparation and development of cracks in mountaM rocks samples.under triaxial compression in conditions of high pressure; the general view of the characteristic curve oi the,summarised acoustic energy release from side pressure was determined. The .maximum' of the carve is. the threshold of ,transition from brittle type destruction to a viscous one. The variation rules oi acoustic emission parametra '(amplitude variation ratio, signal accumulation curve, activity, enerdy spectrum) were found. The above have.been proposed to be used for the brittle and vlscouse type destruction prediction.

МЩЩЕВ. ВИКТОР НИКОЛАЕВИЧ

YT-I OK АРКЫЛУУ TOO ТЕКТЕРМШ11 НУШСЫНШ №С1ШШ УЧУРУНДАГЫ , 7АЛ1ШЕЛЛУУ1'А 1Ш.ШЧАСЫН КАНА 6РЧУШУН ИЗИЛДОО .

Too тектеринш: нускасын уч ок аркылуу. кысллыщин , учурунДагы талканалууга комылгасын жана орчусун жогорку Оасымдын шартында изилдоо шгизинде ■ каптал басншшн акустикалык ; энергия болунушунун жэлпы ^ дайынтнгышш бэгынтуучу . жалпи ' . корунушун аннктап, морт. талканакунун турун илешкенге/ отуу чек • арасын байандайт. Акустшсалык эшссиянын иараме тры озгор^ ченемдурр'ун аннктап (коэффициент вариации амплитуд, кумулятиздин ири жыйналуу сигналы, демилгеси, ; энерготакалык спектр), аларды морт жана илешкендеринин талканан^ан турун прогнозуна пайдаланууга' сунут кылынган. '.'•''