автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.11, диссертация на тему:Разработка теоретических моделей эмиссионных эффектов памяти горных пород

РГо од

чн-Ш

Яа правах рукописи

ЛАВРОВ Александр Вадимович

УДК 622:550.372

РАЗРАБОТКА ТЕОРЕТИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ ЭМИССИОННЫХ ЭФФЕКТОВ ПАМЯТИ ГОРНЫХ ПОРОД

Специальность 05.15.11 —«Физические процессы горного производства»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 1998

Работа выполнена в Московском государственном горном университете (МГГУ).

Научный руководитель докт. техн. наук, проф. ШКУРАТНИК В. Л.

Официальные оппоненты: докт. техн. наук, проф. БАКЛАШОВ И. В., канд. техн. наук, зав. лаб. ЗАХАРОВ В. Н.

Ведущее предприятие — ИПКОН РАН.

Защита диссертации состоится « . » ¡998 г.

в /«бГ'час. на заседании диссертационного совета К-053.12.05 в Московском государственном горном университете по адресу: 117935, Москва, Ленинский проспект, 6.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Автореферат разослан « . » . 1998 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

докт. техн. наук, проф. КРЮКОВ Г. М.

Введение

С увеличс чем глубины и усложнением горно-геологических условий разработки месторождений полезных ископаемых необходимым условием эффективного и безопасного ведения горных работ становится наличие надежной информации о напряженном состоянии массива. При этом представляет интерес не только определение относительных изменений величин напряжений и характера напряженного состояния, но и измерение абсолютных значений напряжений в окрестностях выработок. ч

В настоящее время разработан ряд абсолютных методов измерения напряжений, из которых наибольшее распространение получили методы разгрузки и гидроразрыва скважин. Однако присущие им недостатки — высокая трудоемкость и стоимость работ — обусловливают интерес к поиску методов измерения напряжений, основанных на принципиально новых физических явлениях. К последним относятся методы контроля напряженного состояния с использованием эмиссионных эффектов памяти в горных породах. Важнейшими их достоинствами являются возможность прямого получения абсолютных значений напряжений и относительно низкая трудоемкость работ, выполняемых в натурных или лабораторных условиях.

Однако, несмотря на отмеченные достоинства, разработка соответствующих методов геоконтроля и их широкое применение сдерживаются отсутствием ясности в ряде вопросов, в частности, о закономерностях эффектов памяти в образцах и в околоскважинной области массива в условиях сложного напряженного состояния; о влиянии помеховых факторов на сохранность памяти в образцах и в массиве; о физическом механизме "запоминания^ породами величин напряжений. Получение ответов на эти вопросы экспериментальным путем чрезвычайно трудоемко. В связи с

этим разработка теоретических моделей эмиссионных эффектов памяти в горных породах и установление на их основе закономерностей эффектов памяти, позволяющих повысить точность и надежность контроля напряженного состояния массива, является актуальной научной задачей.

Исследования, представленные в настоящей диссертации, выполнялись автором в рамках тем, финансируемых в соответствии с фантами Российского фонда фундаментальных исследований (проект РФФИ №9505-14224 "Эфекты памяти в горных породах", № гос.регистрации 01950003440) и Госкомвуза России ("Разработка методов контроля геоме-ханическнх свойств и состояния горных пород на больших глубинах на основе геофизических проявлений эффектов памяти в них", № гос.регистрации 01940001068).

Цель диссертационной работы заключается в разработке теоретических моделей эмиссионных эффектов памяти в горных породах и установлении на основе этах моделей закономерностей указанных эффектов в околоскважинной области для совершенствования методов контроля напряженного состояния массива с использованием этих эффектов.

Идея работы состоит в. использовании модели разрушения горных пород вследствие роста трещин растяжения, порождаемых трещинами сдвига, для объяснения эмиссионных эффектов^ памяти и установления закономерностей этих эффектов при нагружении стенок скважины.

Основные научные положения и новиэна:

1. Эмиссионные эффекты памяти в образцах горных пород и в околоскважинной области массива объясняются ростом трещин растяжения, порождаемых трещинами сдвигами наличием однозначного соответствия между действующими напряжениями и длиной трещин растяжения.

2. При нагружении стенок скважины, пробуренной в массиве в направлении главного напряжения ог, возрастающим равномерным всесторонним

давлением эффекты памяти в случае неравнокомпонентного напряженного состояния массива (а^Су) имеют место, если в массиве есть ориентированная система рещин. При равнокомпонентном напряженном состоянии (о^=ау) эффекты памяти имеют место как при ориентированной, так и при , хаотической трещиноватости.

3. Значение давления Р., при котором имеет место эффект памяти, зависит от величин напряжений ох, ау и от ориентации системы трещин, причем оу< Р'<ах. При постоянстве одного из главных напряжений (ст, или оу) это значение давления линейно связано с другим главным напряжением (ау или От); при постоянстве отношения главных напряжений О^/с, значение Р. пропорционально одному из них. !

4. Ослабление памяти пород околоскважинной области об испытанных напряжениях проявляется в уменьшении соотно1 гния между информативным скачком и фоновой активностью эмиссии, причем из двух факто-р'щ, вызывающих ослабление памяти — залечивание трещин и изменение влажности породы в массиве — основное влияние оказывает последний.

Автором защищается также алгоритм интерпретации результатов измерений при проведении контроля напряженного состояния массива с использованием эмиссионных эффектов памяти пород околоскважинной области.

Обоснованность н достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются:

• качественным согласованием закономерностей эффектов пам; и, установленных на основе теоретических моделей и выявленных в результате экспериментальных исследований на породных образцах и в массиве;

• хорошим совпадением проявлений эффектов памяти в породах околоскважинной области м изменении основных параметров моделиро-

вания — числа и длины сдвиговых трещин, а также критического коэффициента интенсивности напряжений первого рода — на порядок; • использованием при разработке моделей апробированных методов меха' пики трещин, хорошо зарекомендовавших себя ранее при объяснении явлений дипатансии, акустической эмиссии и разрушения горных пород.

Научное значение работы заключается в разработке теоретических моделей эмиссионных эффектов памяти, позволяющих объяснить механизм наблюдавшихся экспериментально закономерностей эффектов в образцах пород с низким значением коэффициента трения менаду берегами трещин и смоделировать эффекты памяти в околоскважинной области массива; в установлении влияния трещиноватости, напряженного состояния и помеховых факторов на характер эффектов памяти в породах околоскважинной области.

Практическая ценность работы состоит в разработке методики контроля напряженного состояния на основе эмиссионных эффектов памяти пород околоскважинной области, позволяющей повысить точность измерения значений двух главных напряжений с учетом характера трещиноватости массива.

Реализация работы. Результаты исследования положены в основу "Методики измерения напряжений в окрестностях горных выработок на основе эмиссионных эффектов памяти пород околоскважинной области".

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на I конференции Европейской акустической ассоциации (г.Антверпен, Бельгия, 1996г.); на V сессии Российского акустического общества (г.Москва, 1996г.); на XI Российской конференции по механике горных пород (г.Санкт-Петербург, 1997г.) и на Международном симпозиуме по проблемам напряженного состояния породи: ix массивов Rock Stress'97 (г.Кумамото, Япония, 1997г.).

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 11 печатных работ.

Объем р:) ям. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения, изложенных на 159 страницах текста, содержит 43 рисунка, 6 таблиц, список использованных библиографических источников из 120 наименований.

Основное ссдержг.£и:е ^д-Ь'дты

Необходимость создания абсолютных методов измерения напряжений обусловила интерес исследователей к фундаментальному Свойству памяти — способности горных пород накапливать, сохранять и воспроизводить информацию об испытанных природных и техногенных воздействиях. Конкретные проявления этого свойства представляют собой эффекты памяти. Они заключаются в связанных с • редысторией испытанных воздействий особенностях откликов горных пород на динамику р шичных тестовых физических полей. Значительный вклад в изучение эффектов памяти в России внесли ученые МГУ им.М.В.Ломоносова, ВНИМИ, ИФЗ РАН, МГГУ, ВСЕГИНГЕО, за рубежом - коллективы Университета Тохоку (Япония), Технологического университета Лулео (Швеция), Университета Дрексел (Филадельфия, США), Горного бюро США, Сандийской национальной лаборатории (США) и ряда других организаций.

Наибольший интерес с точки зрения использования для измерения напряжений в массиве представляют эмиссионные эффекты памяти. Они проявляются при циклическом нагружении горных пород и заключаются в невоспроизводимое™ параметров акустической (АЭ) и электромагнитной (ЭМЭ) эмиссии вплоть до максимального достигнутого ранее значения напряжения, Г:огда параметры АЭ и ЭМЭ скачкообразно восстанавливаются до уровня, соответствующего этому значению напряжения. Это позволяет

использовать эмиссионные эффекты памяти для прямого измерения абсолютных значений напряжений, испытанных горными породами в прошлом.

Достигнутые к настоящему времени успехи в экспериментальном изучении эмиссионных эффектов памяти и их использовании для измерения напряжений в массивах горных пород обусловлены работами В.С.Вутукури, М.Д.Ильинова, Т.Канагава, Ю.М.Карташова, К.Катсуяма, Р.М.Кернера, С.А.Колегова, А.М.Кроуфорда, Й.Кувахара, О.Л.Кузнецова, Ч.Ли, А.Е.Лорда, К.Г.Лыкова, К.Матсуки, К.Моги, Е.Нордлунда, Л.Л.Панасьян, М.А.Петровского, Ф.Руммеля, М.Сето, А.В.Трушина, М.Утагава, В.М.Федосовой, Ф.П.Хассани, Д.Дж.Холкомба, Д.Р.Хьюсона, В.Л.Шкуратника, К.Ямамото, В.С.Ямщикова и др.

В главе 1 диссертационной работы дается подробный анализ современного состояния проблемы изучения эффектов памяти в горных породах и построения теоретических моделей эмиссионных эффектов памяти. Анализ показывает, что в горных породах может иметь место целый ряд эффектов памяти, различающихся как видом запоминаемого воздействия (механические напряжения, температура, магнитное поле), так и видом отклика на изменения тестовых физических полей (параметры АЭ и ЭМЭ, деформационные параметры и свойства, намагниченность и др.). Наиболее изученными и перспективными для разработки методов измерения напряжений в горных породах являются эмиссионные эффекты памяти. В настоящее время имеются примеры успешного использования эмиссионных эффектов памяти в образцах и в околоскважинной области массива для контроля напряжений. Однако более широкое практическое использование эмиссионных эффектов памяти пород околоскважинной области осложняется несовершенством алгоритма интерпретации измерительной информации, что обусловлено недостатком знаний о зам» омерностях эффектов памяти в условиях сложного напряженного состояния массива. При

этом, хотя практически все работы в области эмиссионных эффектов памяти в горных породах до сих пор носили экспериментальный характер, подавляющее большинство исследовании проводилось в режиме одноосного сжатия. Закономерности эффектов памяти в образцах и в породах око-лоскважинной области массива в условиях сложного напряженного состояния изучены слабо, а "между результатами отдельных исследователей имеются противоречия.

Трудоемкость экспериментального решения этих вопросов обусловливает интерес к изучению физического механизма эффектов памяти и созданию соответствующих теоретических моделей. Предлагавшиеся ранее теоретические модели эмиссионных эффектов памяти носят качественный характер и не могут быть использованы для постановки численного моделирования эффектов.

В связи с этим возникают следующие основные задачи исследования: 1 Разработать теоретические модели эмиссионных эффектов памяти, объясняющие основные экспериментально установленные закономерности эффектов.

2. Провести компьютерное моделирование эмиссионных эффектов памяти в породах околоскважинной области массива, позволяющее установить их закономерности в условиях сложного напряженного состояния.

3. Усовершенствовать методику измерения напряжений в массиве на основе эмиссионных эффектов памяти пород околоскважинной области.

В главе 2 разработаны двумерные теоретические модели эмиссионных эффектов памяти для однородной и микронеоднородной по прочности среды.

Модели должны удовлетворять следующим основным требованиям: адекватное списание эффектов и объяснение их основных особенностей,

простота и возможность использования для установления новых закономерностей.

В ходе анализа работ в области эффектов памяти были выделены следующие закономерности, представляющие наибольший интерес с точки зрения использования эффектов памяти для измерения напряжений в горных породах:

1. Невоспроизводнмость активности АЭ и ЭМЭ при повторном нагружении вплоть до максимального ранее достигнутого значения напряжения и скачкообразное возрастание активности при достижении этого значения напряжения.

2. Отсутствие памяти о малых значениях напряжений.

3. Ухудшение четкости проявления эффектов с приближением к пределу прочности.

4. Ухудшение четкости эффектов под влиянием времени, а также помехо-вых факторов (увлажнение).

5. Изменение характера эффектов памяти при изменении взаимной ориентации направлений приложения одноосной нагрузки в I и II цикле.'

6. Запоминание разности главных напряжений при нагружении по схеме Кармана.

7. Проявление эффектов памяти на различном масштабном уровне (образец, околоскважинная область массива).

Фундаментальное свойство памяти и его проявления обязаны своим существованием дефектности различного порядка. Исходя из того, что основной вклад в АЗ и ЭМЭ породных образцов и участков массь .а вносит рост трещин, теоретические модели эмиссионных эффектов памяти разрабатывались на основе представлений о росте трещин растяжения, связанных с трещинами сдвига. До нагружения породный образец содержит N ¿-образных микротрещин, каждая из которых представляет со-

бой комбинацию трещины сдвига ВС и двух трещин растяжения ВА и СО (рис.1). Расстогчие между 2-образными трещинами много больше размеров трещин. Берега трещин сдвига не соприкасаются, н трение по ним" в процессе на-гружения отсутствует.

Длины трещин растяжения /( до начала лабораторного нагружения представляют собой случайные величины в силу сложной предыстории нагружения породы в массиве. Все сдвиговые трещины имеют одинаковую длину Ь и Рис. 1

ориентированы случайным образом (угол сц на рис.1 — случайная величина).

При нагружении породы одноосной сжимающей нагрузкой О) напряженное состояние в устье трещины растяжения характеризуется коэффициентами интенсивности напряжений (КИН) первого

К\=6\С (4>/гс7;) (1)

и второго рода

Кй={оА) -Ш, 51П2О^ (2) •

Это обусловлено, с одной стороны, сдвигом по плоскости сдвиговой трещины ВС и возникновением растягивающих сил Р, в точках В и С (коэффициент К\). С другой стороны, имеет место сдвиг по плоскости трещины растяжения (коэффициент ЛГц).

При малых значениях /,• величина 1(ц мала, и условием роста трещины растяжения является

где Kic:— критический КИН первого рода.

• Рост нагрузки в первом цикле приводит к монотонному возрастанию АГ|,'и при достижении некоторого значения а, начинается рост i-й трещины растяжения. Рост трещин происходит устойчиво, так как при увеличении I, для продолжения роста требуется повышение Oi. Рост трещин растяжения сопровождается АЭ и ЭМЭ.

Если в 1-м цикле одноосного сжатия образец был нагружен до напряжения CTim', то после разгрузки длины трещин растяжения, давших рост в 1-м цикле, составляют

¿J=[ о, J L sin2a, / (4 ATk Vrc) ]2. (4)

В процессе повторного одноосного нагружения при atu<Oim (о/1 — одноосное сжимающее напряжение во II цикле нагружения) условие (3) не выполняется, и трещины не растут, что соответствует невоспроизводи- • мости эмиссии. Рост трещин во II цикле начнется при выполнении условия (3), т.е., как следует из (1) и (4), при Oi'-CTiJ, что соответствует эмиссионным эффектам памяти во II цикле.

В рамках модели эффектов памяти в однородной по прочности среде при непрерывном увеличении нагрузки продвижение устья трещины происходит непрерывно. Суммарное количество W трещин, дающих рост при данном значении напряжения, пропорционально активности эмиссии.

В модели эффектов памяти для среды с прочностной микронеоднородностью на пути развития трещины чередуются участки двух значений К\с'. Къ и К к {К и Ж t), длины которых одинаковы и равны а.

Анализ процесса роста трещины растяжения показывает, что в гетерогенной среде с сильно различающимися значениями Ки и К и рост трещин контролируется фактически только одним параметром К t, т.е. большим из двух значений AV В среде с близкими зн пениями К и- » К ¡с рост трещины также начинает контролироваться одним параметром К t,

когда устье трещины достигает участков высокой и низкой прочности, для которых выполняется условие

К\ £ К Л [ + (2к + I) а ] / (/¡° + 2ка), (5)

где к — номер пары участков высокой и низкой прочности.

При монотонном росте напряжения О) распространение трещины в гетерогенной среде происходит скачками, трещина останавливает свой рост перед участками с высокими значениями Кк= К Активность эмиссии при данном значении напряжения

ЛГ=о, I яМа, (<1а,Мг) / (4 а , ' (6)

где ¿о^АЬ — скорость роста напряжения. В соответствии с (6), с увеличением Ст[ активность эмиссии повышается, что согласуется с экспериментом. В рамках модели находит объяснение также ряд других особенностей АЭ и ЭМЭ в горных породах. Существование эм! ;сионных эффектов памяти объясняется аналогично модели для однородной среды.

Разработанные двумерные модели позволяют объяснить основные экспериментально установленные закономерности эффектов памяти в горных породах.

Увлажнение образца в перерыве между I и II циклами нагруже-ния приводит к уменьшению локальной прочности с до АГк" ("с" - сухой, "в" - влажный образец). При нагружении во втором цикле рост трещин растяжения начнется не при ст^сг^1, а при

о^ст.Лл-к'/ЛУ1), (7)

т.е. при меньшем значении нагрузки, что согласуется с эксперимег -альны-ми результатами.

Увеличение временного интервала между I и II циклами нагру-ження сопровождается залечиванием трещин растяжения, в результате чего их длины уменьшаются с . до /,о". Это приводит к тому, что при нагруже-

нии во II цикле АЭ и ЭМЭ от i-й трещины начнутся не при Oi'-OiJ, а при меньшем значении напряжения

о,1" = oj VC/íJ. (8)

При нагружении в I цикле по схеме Кармана (а/ > 021 > 0) длины трещин растяжения после разгрузки составляют

l,M (o,-o2)JL sin2a, /(4Кк.^)]\ (9)

где (ar02)J — максимальное достигнутое в I цикле значение разности главных напряжений. При нагружении во II цикле одноосным сжатием трещины начнут расти при выполнении условия (3), т.е. при

о,и = (о, -Оа)™1. (Ю)

Тем самым, при нагружении по схеме Кармана порода запоминает разность главных напряжений.

При одноосном нагружении во II цикле под углом <р к направлению приложения одноосной нагрузки в I цикле поведение трещин зависит от их ориентации. Трещины сдвига, для которых 0<а/«р или 7c/2<a¡<(cp-7t/2) (положительный угол а, — в ту же сторону, что и <р), во II. цикле будут испытывать сдвиг в направлении, противоположном направлению сдвига в I цикле. Возникшие в 1 цикле трещины растяжения закроются, и образуются трещины растяжения в другие стороны. Если вследствие истории нагружении породы такие трещины уже имеются, их рост во II цикле возобновится при различных значениях , не связанных с максимальной величиной напряжения первого цикла 0|„\

Трещины, для которых <p<a,<Tt/2 или (<р-л/2)< а,<0, во II ц: ie испытывают сдвиг в том же направлении, что и в 1 .Именно они ответственны за эффект памяти во II цикле. Рост таких трещин растяжения начнется не при 0|"=0|m', а при

o,a=o,„f sin2a, I ( sin [2 (а, - <р ) ] ) , (И)

т.е. при различных значениях СТ|П для трещин с различной ориентацией. Поэтому эффект памяти во II цикле будет искаженным, "размытым", а с приближением величины угла к ге/2 и совсем исчезнет, что и наблюдалось в ряде экспериментов.

Ухудшение четкости эффектов памяти с приближением к пределу прочности вплоть до полного исчезновения объясняется нарушением однозначного соответствия между длиной трещин растяжения и величиной напряжения. Отсутствие памяти о малых напряжениях обусловлено тем, что достигнутое значение напряжения в этом случае недостаточно для начала роста трещин растяжения. Вследствие этого рост трещин в I цикле отсутствует, а эмиссия во II цикле начинается при напряжениях, определяемых более давней историей нагружения породы.

В рамках разработанных моделей находят объяснение также явление акустического последействия горных пород, электрический эффект памяти проводящих пород и экспериментально установленные закономерности этих явлений.

Глава 3 посвящена двумерному численному моделированию эмиссионных эффектов памяти в породах околоскважинной области массива. Целью моделирования являлось установление закономерностей эмиссионных эффектов памяти пород околоскважинной области массива при нагру-жении стенок скважины прессиометром с учетом характера напряженного состояния и трещиноватости, величин главных напряжений в массиве и действия помеховых факторов. Моделировались следующие явления: эмиссионные эффекты памяти при однократном нагружении стенок скважины в отсутствие релаксации памяти;

эмиссионные эффекты памяти при однократном нагружении стенок скважины в условиях релаксации памяти;

эмиссионные эффекты памяти при многократном нагружении стенок скважины.

Околоскважинная область (рис.2) имеет форму полого цилиндра с

внутренним радиусом 0.021м (радиус скважины 1). Радиус внешней границы области 2 принимался равным 0.5м. Область содержит 500 трещин 3. Трещины равномерно распределены по околоскважшшой области случайным образом, а их плоскости параллельны оси скважины. С'.чажина пробурена в направлении главного напряжения Моделирование эмиссионных эф-Рис.2 фектов памяти при однократном

нагружении стенок скважины проводилось в три этапа: 1 - нагружение области действующими в ызссиес до бурения скважины напряжениями ах, о/, 2 - разгрузка области путем бурения скважины, 3 - нагружение стенок скважины прессиометром.

До начала первого этапа моделирования трещины представляют собой тонкие разрезы "одинаковой длины ¿. Под действием напряжений на первом и последующих этапах возникает сдвиг по плоскостям начальных трещин, и от них отходят трещины растяжения. Величины £ и К* принимались одинаковыми для всех трещин.

Моделировались случаи хаотической и ориентированной (анизотропной) трещиноватосги массива. В последней случае плоскости всех трещин ориентированы под одинаковым углом \|/ к оси А' (одна система трещин, см. рис.2), в первом случае угол цг — случайная величина.

На каждом этапе моделирования для каждой трещины определялись значения главных напряжений Оь направления главных осей тензора напряжений, длины трещин растяжения и направления их роста. Задача решалась в упругом приближении.

Нагруженне стенок скважины прессиометром, создающим всестороннее давление Р, на третьем этапе моделирования осуществлялось ступенчато. Давление росло от 0 до некоторого максимального значения Ртм равными ступенями. На каждой ;'-й ступени нагружения подсчитыва-лось суммарное количество растущих "трещин УУ,. Величина \У1 принималась в качестве меры активности эмиссии на данной ступени. По результатам моделирования строились графики IV = f{P).

Моделирование эффектов памяти в случае одноосного напряженного состояния массива (а,>0, сг,=0) показало, что при хаотической трещинова-тостн на графиках зависимости меры активности эмиссии от давления на стенки скважины нет характерных точек. В случае ориентации всех сдвиговых начальных трещин под одинаковым углом у к оси X (15°<у<75°) график \У=/(Р) можно разбить на два участка. При Р<Р> устойчивый рост IV отсутствует или №=0. При Р>Р. имеет место устойчивый рост IV. Величина давления па стенки скважины, при котором наблюдается эффект памяти, прямо пропорциональна ах:

Я. = (12)

где коэффициент ку зависит от (табл. 1).

Таблица 1

V,0 10 15,20,25 30, 35,40 45 50, 55, 60, 65 70, 75 80

0 0.2 0.3 0.7 0.3 0.2 0

Моделирование в условиях равнокомпонентного напряженного состояния массива (о, = су > 0) показало, что эффект памяти в этом случае имеет место как при ориентированной, так и при хаотической трещинова-

гости. При Р<Р. УУ=0; при Р=Р. происходит скачок IV от 0 до 500; при Р>Р. Н-500. При любом типе трещнноватосги эффект памяти наблюдается при давлении Л = о, = <з)у что объясняется полным восстановлением напряженного состояния, имевшего место до бурения скважины. Равноком-понентный — единственный тип напряженного состояния массива, при котором возможны полное воссоздание поля напряжений прессиометром и идеальный эффект памяти.

Моделирование для наиболее' общего случая неравнокомпонентного напряженного состояния массива (а, > а, > 0) показало, что при хаотической трещиноьатости на гранках зависимости меры активности эмиссии от давления нет характерных точек. В случае анизотропной ориентации трещин (15°<ч/<80°) имеет место эффект памяти при Р=Р>. При Р<Р* активность эмиссии равна нулю или ее изменения носят нерегулярный характер. Начиная' с Р=Р^ имеет место устойчивый рост V/. Пример графика У/ = / (Р) для случая (|/=15°, Ох=40 МПа, Оу=30 МПа показан на рис.3 пунктирной линией. Значение Р• =32 МПа от .^че-но стрелкой. Обработка данных моделирования привела к следующим результатам: 1. Величина Р- практически всегда находится в диапазоне Оу<Р^ах, приближаясь к величине главного напряжения а,.

2. Величина Р• имеет линейную корреляцию с величиной одного из главных напряжений при постоянстве другого: при Оу^сог^

Р. = + В), (13)

при Ох=С0П51

Р. = АгОу + Вг, (14)

где А\, В| — функции у и ау; Аг, Вг — функции ц/ и ах.

3. Коэффициент корреляции Р. с о, при а,=50 МПа=со1Ш б ; 1ьше, чем коэффициент корреляции Р. с о, при ау-10 МПа=соп5(.

4. При постоянстве отношения а/с, величина Р. прямо пропорциональна величине одного из главных напряжений (ст, или ау). Так,

Р. = ау[С/[\-( 1-о/ст,)2]-СЧ-1) . (15)

Значение безразмерного коэффициента С определяется ориентацией системы трещин в массиве и приведено в табл.2.

Таблица 2

V.0 15 20 25 30, 40 45 50, 60 65 70 75 80

35 55

с 0.26 0.41 0.58 0.35 0.69 1.71 0.76 0.81 0.65 0.54 0.35 0.40

С целью исследования устойчивости результатов моделирования к изменению параметров были поставлены компьютерные эксперименты для различных значений К[с, Ь и числа трещин в околоскважинной области. Установлено, что изменение Кк- и Ь не влияет на характер графиков \У =/ (Р)'и на значение Р-. Это объясняется тем, что рост трещин в используемой модели управляется исключительно сдвиговым напряжением. Независимо от абсолютных значений К\с и рост трещины растяжения возобновится при достижении сдвиговым напряжением максимального ранее достигнутого значения. Указанная независимость расширяет общность используемого подхода.

Увеличение количества трещин более 500 не приводит к качественным изменениям в характере кривых ¡У=/(Р) и не влияет на значение Р

Отсутствие эффектов памяти в случае хаотической трещиноватоста массива и неравнокомпонентного напряженного состояния связано с изменением ориентации трещин относительно главных осей тензора напряжений на третьем этапе моделирования по сравнению с первыми двумя этапами. Некоторые трещины в ходе нагружения стенок скважины дадут рост трещин растяжения в направлении, противоположном направлению роста на первом и втором этапах. Такие трещины будут расти с нулевого значения давления. Граф> Л H/=f(P) в этом случае можно представить как результат работы большого числа систем трещин, каждая из которых формирует эфект памяти при своем значено Р-. В результате этого не наблюдается возрастания IV при каком-либо определенном значении давления.

Для использования эмиссионных эффектов памяти представляет интерес релаксация памяти — ослабление четкости эффектов вследствие увлажнения массива либо при наличии значительного временного промежутка между бурением скважины и нагружением ее стенок.

Постановка компьютерных экспериментов включала в себя описанные выше три этапа, релаксация вводилась между вторым и третьим этапами. Отдельно моделировались два случая ослабления памяти: под влиянием увлажнения, сопровождающегося снижением прочности породы (уменьшение К\с), и под влиянием увеличения временного интервала, приводящего к залечиванию трещин растяжения (уменьшение /,).

Моделирование показало, что ослабление памяти выражается в увеличении активности эмиссии при Р<Р.. Надежность выявления эффекта памяти падает. Это совпадает с известными результатами экспериментов в массиве. Основное влияние на ослабление памяти оказывает увлажнение

массива: эффекты пропадают при снижении на 3% и более. Залечивание трещин оказывает незначительное влияние: начало устойчивого роста активности эмиссии выявляется даже когда длины трещин растяжения уменьшаются на 10%.

Моделирование эмиссионных эффектов памяти при циклическом на-гружении стенок скважины включало в себя пять этапов: первые три - как описано.выше (без релаксации); четвертый - разгрузка стенок кважнны до Р=0; пятый - ступенчатое нагруженне стенок скважины до Р = ? Р„,а, с подсчетом на каждой ступени суммарного числа растущих трещин (второй цикл нагружения стенок скважины).

Моделирование показало, что независимо от типа трещиноватостн (анизотропная, хаотическая) и от типа напряженного состояния массива имеет место эффект памяти во втором цикле нагружения стенок скважины при Р=Ртах: при Р<Ртах \У=0; при Р=Ртл, происходит скачкообразное возрастание IV до значения, имевшего место при Р=Рта» в первом цикле нагружения стен'ок скважины. Соответствующий график V/ = / (Р) для 41=15°, а,=40 МПа, а,=30 МПа показан на рис.3 сплошной линией. Факт существования эмиссионных эффектов памяти при циклическом нагруже-нии стенок скважины в массиве ранее был установлен экспериментально.

Результаты моделирования эмиссионных эффектов памяти в породах околоскважинной области позволили предложить новый алгоритм интерпретации результатов измерения напряжений в окрестностях горных выработок, обоснованию которого посвящена глава 4.

Рассмотрены два варианта реализации контроля напряженного состояния с использованием эффектов памяти пород околоскважинной области: • оценка характера распределения напряжений по глубине от стенки выработки и выделение зоны опорного давления и зоны нарушенных пород;

• определение значений двух главных напряжений в массиве на различных расстояниях от стенки выработки.

При реализации контроля по первому варианту проводят измерение значений Р• в точках, расположенных на различном расстоянии от стенки выработки по стволу скважины, пробуренной на измерительной станции. В ходе обработки результатов измерений определяют значения давления на стенки скважины, при котором имел место эффект памяти (с учетом неполной передачи давления прессиометром), и строят график зависимости Р' от расстояния до стенки выработки. Как следует из результатов моделирования (см. выше результат №1), форма этой кривой должна быть близка к форме кривой опорного давления, что позволяет выделить зоны нарушенных пород и опорного давления и оцени их мощность.

Реализация второго варианта контроля предполагает получение априорной информации о характере 1рещиноватости и напряженного состояния массива, а именно:

• направления действия в месте бурения скважины главных напряжений о„ ог, перпендикулярных ее оси;

• ориентация преобладающей системы трещин относительно направления действия большего главного напряжения Ох (угол у);

• значения отношения главных напряжений оу!ах на различной глубине от стенки выработки.

Указанная информация может быть получена известными экспериментальными и расчетными методами.

В ходе собственно реализации контроля по второму варианту измеряют значения Р. на различных расстояниях от стенки выработки.

Обработку результатов контроля начинают с определения истинныч значений давления Р• на стенки скважины, при которых имеют место эффекты памяти. Дальнейшая обработка предполагает использование зави-

симости = /(Оу/а,), полученной для данной ориентации трещин в массиве [формула (15)]. Известные значения отношения ст/а, в точках измерения Р. позволяют определить значения отношения Р-/ау и далее (Р• измерено)— ах,ау.

На основе найденных значений о, и ау строят графики их.зависимости от расстояния до стенки выработки. Результатами измерений во втором варианте контроля являются численные значения о„ оу, их р определение по глубине от стенки выработки, и положение зон опорного давления и нарушенных пород.

Глава 4 завершается обоснованием выбора средств измерений для реализации контроля по обоим вариантам.

Заключение

В диссертационной работе дано новое решение актуальной научной задачи разработки теоретических моделей эмиссионных эффектов памяти в горных породах и установления на основе этих моделей закономерностей указанных эффектов в породах околоскважинной области, позволяющее повысить точность и надежность контроля напряженного состояния массива.

Основные выводы по результатам исследований:

1. Разработаны двумерные теоретические модели эмиссионных эффектов памяти для однородной и микронеоднородной по прочности среды, основанные на механике трещин растяжения, порождаемых трещинами сдвига. Модели позволяют объяснить закономерности эффектов в горных породах с малым значением коэффициента трения между берегами трещин, установленные в ходе экспериментальных исследований на образцах.

2. На основе разрабс ¡анных моделей проведено компьютерное моделирование эмиссионных эффектов памяти в породах околоскважинной области

массива, в том числе релаксации памяти под влиянием помеховых факторов различного характера. Установлено, что в процессе нагружения стенок скважины возрастающим равномерным всесторонним давлением эффекты памяти в случае неравнокомпонентного напряженного состояния массива имеют место, если в массиве есть ориентированная система трещин. При равнокомпонентном напряженном состоянии массива эффекты памяти имеют место при любом типе трещиноватости.

3. Получены соотношения, связывающие величину Р• давления на стенки скважины, при котором имеет место эффект памяти, с величинами главных напряжений в массиве <т„ о,, действующими перпендикулярно оси скважины. Установлено, что при постоянстве одного из них величина Р* линейно связана с другим главным напряжсО 1ем, а при постоянстве отношения ст,/ст, величина Р. пропорциональна одному . из главных напряжении.

4. Теоретически объяснено и смоделировано экспериментально установленное ранее явление ослабления памяти пород околоскважинной области. Показано, что на ослабление памяти пород околоскважинной области влияет залечивание трещин и изменение влажности породы в массиве, причем основное влияние оказывает последний фактор.

5. Численное моделирование циклического нагружения стенок скважины подтвердило экспериментально установленный ранее факт наличия эффекта памяти в ходе такого нагружения.

6. Обоснована методика контроля напряжений в окрестностях горных выработок на основе эмиссионных .эффектов памяти пород околоскважинной области, отличающаяся алгоритмом обработки и интерпретации результатов измерений, позволяющим определять значения двух главны-, напряжений в массиве и учитывающим особенности трещиноватости пород. Методика передана для использования в ИГД им. А.А.Скочинского.

Основные положения диссертации отражены в следующих работах:

1. Шкуратник В.Л., Лавров A.B. О теоретической модели эффектов памяти в горных породах // Фнзико-техиическне проблемы разработки полезных ископаемых, 1995, №1, с.25-34.

2. Ямщиков B.C., Шкуратник В.Л., Лавров A.B. Имитационное моделирование контроля напряжений в столбчатом целике на основе эффектов памяти пород околоскважинного пространства // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых, 1995, №2, с.30-34.

3. Шкуратник В.Л., Лавров A.B. Имитационное моделирование контроля плоского напряженного состояния массива на основе акустоэмиссионного эффекта памяти пород околоскважинного пространства // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых, 1995, №5, с.43-48.

4. Ямщиков B.C., Шкуратник В.Л., Лавров A.B. Компьютерное моделирование контроля горизонтальных напряжений в скальном основании И Основания, фундаменты и механика грунтов, 1995, №6, с.9-12.

5. Yamshchikov V.S., Shkuratnik V.L., Lavrov A.V. Akustische Nachwirkung von Gesteinen bei geodynamischen Erscheinungen // Glilckauf-Forschungshefte, 1996, v.57,№l,pp.l8-19.

6. Шкуратник В.Л., Лавров A.B. Теоретическая модель электромагнитного эмиссионного эффекта памяти горных пород II Прикладная механика и техническая физика, 1996, т.37, №6, с. 165-169.

7. Yamshchikov V.S., Shkuratnik V.L., Lavrov A.V. On the theoretical model of the Kaiser effect in rocks at different stages of loading // Acústica united with Acta Acústica, 1996, v.82, Supplement l,p.S251.

8. Шкуратник В.Л., Лавров A.B. Компьютерное моделирование эффекта Кайзера в горных i одах // Проблемы геоакустики: методы и средства.

Сб. тр. V сессии Российского акустического общества.-М.:Изд-во МГТУ, 1996, с.147-150.

9. Chkouratnik V.L., Lavrov A.V. Numerical 2D-simulation of memory effects in rocks around a borehole // Rock Stress. Proc. Int. Symp. on Rock Stress, Ku-mamoto, 7-10 Octobcr 1997.-Rotterdam: A.A.Balkema, 1997, pp. 193-196.

10. Lavrov A.V. Computer simulation of memory relaxation in rocks around a borehole// Archives of Mining Sciences (Archiwum Gomictwa), 1997, v.42, №3, pp.353-365.

11. Шкуратник В.Л., Лавров А.В. Эффекты памяти в горных породах. Физические закономерности, ¡'еоретические модели. — М.: Изд-во Академии горных наук, 1997. — 159 с.

Подписано в печать . ,1998г. Формат 60х90\16 Объем 1 п. л. Тираж 100 экз. Заказ 4 О/

Типография Московского государственного горного университета, М., Ленинский пр. 6

Министерство общего и профессионального образования Российской Федерации

Московский государственный горный университет

На правах рукописи ЛАВРОВ Александр Вадимович

РАЗРАБОТКА ТЕОРЕТИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ ЭМИССИОННЫХ ЭФФЕКТОВ ПАМЯТИ ГОРНЫХ ПОРОД

Специальность 05.15.11 — «Физические процессы горного

производства» Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель — доктор технических наук профессор Шкуратник В.Л.

Москва 1998

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение ..............................4

Глава 1. Современное состояние проблемы изучения эффектов памяти в горных породах ......................9

1.1. Сущность эффектов памяти и их основные закономерности . . .9

1.2. Акустоэмиссионный эффект памяти и его основные закономерности..........................28

1.3. Электромагнитный эмиссионный эффект памяти и его

основные закономерности .....................78

1.4. Состояние вопроса в области теоретических моделей эмиссионных эффектов памяти ..................82

1.5. Выводы и постановка задач исследования ...........85

Глава 2. Разработка теоретических моделей эмиссионных

эффектов памяти в горных породах ................87

2.1. Требования к теоретическим моделям .............87

2.2. Физические предпосылки построения теоретических моделей . . 88

2.3. Разработка двумерной модели эмиссионных эффектов памяти

для однородной среды ......................91

2.4. Разработка двумерной модели эмиссионных эффектов памяти

для неоднородной среды .....................96

2.5. Объяснение закономерностей эмиссионных эффектов памяти

на основе построенных моделей..................105

2.6. Выводы ........................... . 127

Глава 3. Численное моделирование эмиссионных эффектов памяти

в породах околоскважинной области массива............128

3.1. Моделирование эффектов памяти при контроле напряженного состояния массива.........................128

3.1.1. Постановка компьютерных экспериментов ........... 128

3.1.2. Результаты моделирования для случая одноосного напряженного состояния массива .................134

3.1.3. Результаты моделирования случая равнокомпонентного

напряженного состояния массива .................140

3.1.4. Результаты моделирования для случая

неравнокомпонентного напряженного состояния массива ......143

3.1.5. Устойчивость результатов моделирования ..........161

3.2. Моделирование релаксации памяти пород околоскважинной области..............................163

3.2.1. Постановка компьютерных экспериментов........... 163

3.2.2. Результаты моделирования релаксации памяти пород околоскважинной области..................... 164

3.3. Моделирование эмиссионных эффектов памяти при циклическом нагружении стенок скважины.............171

3.3.1. Постановка компьютерных экспериментов...........172

3.3.2. Результаты моделирования эмиссионных эффектов

памяти при циклическом нагружении стенок скважины.......173

3.4. Выводы............................175

Глава 4. Обоснование методики измерения напряжений в окрестностях горных выработок на основе эмиссионных эффектов памяти пород околоскважинной области..............176

4.1. Варианты реализации методики ................176

4.2. Получение априорной инженерно-геологической

информации ...........................177

4.3. Обработка результатов измерений по первому варианту реализации методики .......................180

4.4. Обработка результатов измерений по второму варианту реализации методики .......................182

4.5. Выбор средств измерений................... 183

Заключение............................ 185

Список литературы ........................187

Введение

С увеличением глубины и усложнением горно-геологических условий разработки месторождений полезных ископаемых необходимым условием эффективного и безопасного ведения горных работ становится наличие надежной информации о напряженном состоянии массива. При . этом представляет интерес не только определение относительных изменений величин напряжений и характера напряженного состояния, но и измерение абсолютных значений напряжений в окрестностях выработок.

Для решения последней задачи в настоящее время разработан ряд методов, из которых наибольшее распространение получили методы разгрузки и гидроразрыва скважин. Однако присущие им недостатки, в частности высокая трудоемкость и стоимость работ, обусловливают интерес к поиску методов измерения напряжений, основанных на принципиально новых физических явлениях. К последним относятся методы оценки напряжений с использованием эмиссионных эффектов памяти в гор- • ных породах. Важнейшими достоинствами этих методов являются возможность прямого получения абсолютных значений напряжений и относительно низкая трудоемкость работ, выполняемых в натурных или лабораторных условиях.

Интерес к эффектам памяти и возможностям их практического использования для оценки напряжений в горных породах послужил стимулом для постановки многочисленных экспериментальных исследований закономерностей этих эффектов. Наиболее известными авторами таких работ являются B.C. Вутукури, М.Д. Ильинов, Т. Канагава, Ю.М. Карта-шов, К. Катсуяма, P.M. Кернер, С.А. Колегов, A.M. Кроуфорд, Й. Кува- " хара, O.JI. Кузнецов, Ч. Ли, А.Е. Лорд, К.Г. Лыков, К. Матсуки, К. Моги,

Е. Нордлунд, JI.JI. Панасьян, М.А. Петровский, Ф. Руммель, М. Сето, A.B. Трушин, М. Утагава, В.М. Федосова, Ф.П. Хассани, Д. Дж. Холкомб, Д.Р. Хьюсон, B.JI. Шкуратник, К. Ямамото, B.C. Ямщиков и др.

В то же время экспериментальные исследования оставили нерешенными ряд вопросов, в частности, о закономерностях эффектов памяти в образцах и в околоскважинной области массива в условиях сложного не-равнокомпонентного напряженного состояния; о влиянии помеховых фак- • торов на сохранность памяти в образцах и в массиве; о физическом механизме «запоминания» породами величин напряжений. Отсутствие необходимой ясности создает трудности при интерпретации данных измерения напряжений и сдерживает разработку соответствующих методов геоконтроля. Получение ответов на перечисленные вопросы экспериментальным путем чрезвычайно трудоемко. В связи с этим разработка теоретических моделей эмиссионных эффектов памяти в горных породах и установление на их основе закономерностей эффектов памяти, позволяющих повысить точность и надежность контроля напряженного состояния массива, является актуальной научной задачей.

Исследования, отраженные в диссертационной работе, выполнялись автором в рамках тем, финансируемых в соответствии с грантами Российского фонда фундаментальных исследований (проект РФФИ № 95-0514224 «Эффекты памяти в горных породах», № гос. регистрации 01950003440) и Госкомвуза России («Разработка методов контроля геомеханических свойств и состояния горных пород'на больших глубинах на основе геофизических проявлений эффектов памяти в них», № гос. регистрации 01940001068).

Цель диссертационной работы заключается в разработке теоретических моделей эмиссионных эффектов памяти в горных породах и установлении на основе этих моделей закономерностей указанных эффектов в околоскважинной области для совершенствования методов контроля напряженного состояния массива с использованием этих эффектов.

Идея работы состоит в использовании модели разрушения горных пород вследствие роста трещин растяжения, порождаемых начальными трещинами сдвига, для объяснения эмиссионных эффектов .памяти и установления закономерностей этих эффектов при нагружении стенок скважины.

Автором защищаются следующие основные научные положения:

1. Эмиссионные эффекты памяти в образцах горных пород и в околоскважинной области массива объясняются ростом трещин растяжения, порождаемых трещинами сдвига, и наличием однозначного соответствия между действующими напряжениями и длиной трещин растяжения.

2. При нагружении стенок скважины, пробуренной в массиве в направлении главного напряжения о 2, возрастающим равномерным всесторонним давлением эффекты памяти в случае неравнокомпонентного напряженного состояния массива (Ох>(5у) имеют место, если в массиве есть ориентированная система трещин. При равнокомпонентном напряженном состоянии (ах = оу) эффекты памяти имеют место как при ориентированной, так и при хаотической трещиноватости.

3. Значение давления Р *, при котором имеет место эффект памяти, зависит от величин напряжений ох, и от ориентации системы трещин, причем оу<Р * <ох • При постоянстве одного из главных напряже-

ний (ах или Су) это значение давления линейно связано с другим главным напряжением (Оу или при постоянстве отношения главных напряжений Оу/Ох значение Р* пропорционально одному из них.

4. Ослабление памяти пород околоскважинной области об испытанных напряжениях проявляется в уменьшении соотношения между информативным скачком и фоновой активностью эмиссии, причем из двух факторов, вызывающих ослабление памяти — залечивание трещин и изменение влажности породы в массиве — основное влияние оказывает последний.

Автором защищается также алгоритм интерпретации результатов измерений при проведении контроля напряженного состояния массива с использованием эмиссионных эффектов памяти пород околоскважинной области.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются:

— качественным согласованием закономерностей эффектов памяти, установленных на основе теоретических моделей и выявленных в результате экспериментальных исследований на породных образцах и в массиве;

— хорошим совпадением проявлений свойства памяти в породах околоскважинной области при изменении основных параметров моделирования — числа и длины сдвиговых трещин, а также критического коэффициента интенсивности напряжений первого рода — на порядок;

— использованием при разработке моделей апробированных методов механики трещин, хорошо зарекомендовавших себя ранее при объяснении явлений дилатансии, акустической эмиссии и разрушения горных пород.

Научное значение работы заключается в разработке теоретических моделей эмиссионных эффектов памяти, позволяющих объяснить меха-

низм наблюдавшихся экспериментально закономерностей эффектов в образцах пород с низким значением коэффициента трения между берегами трещин и смоделировать эффекты памяти в околоскважинной области массива; в установлении влияния трещиноватости, напряженного состояния и помеховых факторов на характер эффектов памяти в породах око-лоскважинной области.

Практическая ценность работы состоит в разработке методики контроля напряженного состояния на основе эмиссионных эффектов памяти пород околоскважинной области, позволяющей повысить точность измерения значений двух главных напряжений с учетом характера трещиновато сти массива.

Реализация работы. Результаты исследования положены в основу «Методики измерения напряжений в окрестностях горных выработок на основе эмиссионных эффектов памяти пород околоскважинной области».

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на I конференции (конвенции) Европейской акустической ассоциации (г. Антверпен, Бельгия, 1996 г.); на V сессии Российского акустического общества (г. Москва, 1996 г.); на XI Российской конференции по механике горных пород (г. С.-Петербург, 1997 г.); на Международном симпозиуме по проблемам напряженного состояния породных массивов Rock Stress'97 (г. Кумамото, Япония, 1997 г.).

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 11 печатных работ.

Глава 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ ИЗУЧЕНИЯ ЭФФЕКТОВ ПАМЯТИ В ГОРНЫХ ПОРОДАХ

1.1. Сущность эффектов памяти и их основные закономерности

Способность к хранению и воспроизведению при определенных условиях информации об испытанных природно-генетических и техногенных воздействиях является одной из наиболее общих качественных особенностей горных пород и поэтому может рассматриваться как их фундаментальное свойство. Конкретные проявления этого свойства получили название эффектов памяти. Они заключаются в связанных с предысторией испытанных воздействий особенностях откликов горных пород на динамику различных тестовых физических полей.

Наиболее характерные из этих особенностей заключаются в следующем:

— невоспроизводимость откликов горных пород на циклические термодинамические воздействия вплоть до максимальных уровней этих воздействий, достигнутых в предыдущем цикле, и специфический характер откликов в момент достижения указанного уровня;

— зависимость характера (интенсивности, знака и т. п.) откликов от режимов (направлений, уровней, продолжительности) воздействий в различных циклах и соотношений между ними;

— зависимость интенсивности откликов и времени релаксации памяти от влияния внешних помеховых факторов;

— сохранение основных закономерностей откликов при переходе к

более крупным или более мелким масштабам исследований.

В настоящее время экспериментально установлен целый ряд эффектов памяти о механических, тепловых, магнитных и электрических воздействиях на горные породы. В качестве откликов при этом могут выступать как некоторые виды постоянных и переменных физических полей, так и различные физические свойства. Остановимся на некоторых основных эффектах памяти в горных породах и их экспериментально установленных закономерностях.

Акустоэмиссионный и электромагнитный эмиссионный эффекты памяти заключаются в невоспроизводимости акустической (АЭ) и электромагнитной (ЭМЭ) эмиссии вплоть до максимального достигнутого ранее значения механического напряжения, когда параметры АЭ и ЭМЭ скачкообразно восстанавливаются до уровня, соответствующего этому значению напряжения (рис. 1.1) [1, 2]. Закономерности эмиссионных эффектов памяти о механических напряжениях подробно рассмотрены в пп. 1.2 и 1.3.

Термоэмиссионные эффекты памяти проявляются при циклическом нагревании горных пород с возрастающей от цикла к циклу амплитудой температуры. Эффекты заключаются в невоспроизводимости акустической и электромагнитной эмиссий вплоть до максимальной температуры предшествующего цикла и в скачкообразном увеличении активности АЭ и ЭМЭ при достижении этого значения температуры (рис. 1.2) [3 — 7]. В настоящее время установлено, что термоэмиссионные эффекты памяти имеют место у пород самого различного генезиса и состава (соль, мрамор, гранит, базальт, ангидрит, кварц, андезит).

В ходе экспериментальных исследований термоэмиссионных эффектов памяти установлен ряд закономерностей эффектов, проявляющихся

у различных горных пород. Рассмотрим основные из них [3, 4, 6, 7].

ГРАФИКИ ЗАВИСИМОСТИ АКТИВНОСТИ АЭ И ПРОИЗВОДНОЙ АКТИВНОСТИ ЭМЭ ОТ НАПРЯЖЕНИЯ В ТЕСТОВОМ ЦИКЛЕ

НАГРУЖЕНИЯ

у.е. 0,8

0,4

1 .

/

у.е.

0,8

0,4

10 14 <5, МПа

а

Л

г

] /

А

т Л— . ■ ■ { -

6 10 14 а, МПа б

а — мрамор; б — калийная соль

1 — активность АЭ; 2 — производная активности ЭМЭ

ГРАФИКИ ЗАВИСИМОСТИ АКТИВНОСТЕЙ АЭ И ЭМЭ ОТ ТЕМПЕРАТУРЫ ДЛЯ ОБРАЗЦОВ КАЛИЙНОЙ СОЛИ И МРАМОРА

ы

1,0

а

0,5

2 ^

>

1Ы1

\л/

500 С,С

1,0

0,5

2 ГIV А

Г1'

ь \

М-М

1 1 »

о 1,0

0,5

1 I

___I

1 I V.'

I 1 1/

V

о

100

200

300 400 500 С

-I /!

I

» ?2 Г

¡1 \ I ¡\11'

Л Л \ * > *1

\! \! V

V

100

200 300 400 500 Г,С

а, б — соль; в, г — мрамор а, в —АЭ; б, г —ЭМЭ 1, 2, 3 — кривые, соответствующие трем последовательным циклам нагревания

Рис. 1.2

1. Для каждой породы имеются некоторые критические значения температуры и скорости нагрева, выше которых эффекты пропадают. Так, у сильвинит-карналлитовой соли эффекты отсутствуют при температуре выше 0,85 (пл, где t пл — температура плавления, °С. В той же

соли термоэмиссионные эффекты памяти практически не наблюдаются при скоростях нагрева более 50°С/мин.

В то же время, при скоростях нагрева, меньших критической, эффекты памяти проявляются стабильно, независимо от величины скорости нагрева. Это подтверждают эксперименты по циклическому нагреванию соли, мрамора и гранита со скоростями нагрева, отличающимся от цикла к циклу. Увеличение скорости нагрева приводит к увеличению активности и суммарной активности АЭ и ЭМЭ, но не влияет на четкость проявления памяти и на точность воспроизведения запомненного значения. Так, увеличение скорости нагрева от 0,4°С/мин до 12,5°С/мин сопровождалось повышением суммарной активности АЭ гранита Уэстерли в 10 раз при сохранении четкости эффекта и точности воспроизведения запомненного значения температуры.

2. Выдержка образцов при постоянной температуре в течение более долгого времени повышает четкость проявления термоэмиссионных эффектов памяти. Это объясняется уменьшением при повторном нагреве активности эмиссии при малых температурах.

3. С увеличением временного интервала между циклами нагрева эффект ослабевает, причем тем быстрее, чем выше испытанная породой

температура и ее исходная нарушенность. Однако при относительно ма-/

лых временных интервалах между установочным и тестовым нагреванием

(порядка десяти суток) ослабления памяти не наблюдается. Так, термо-

эмиссионный (АЭ) эффект памяти в образце гранита Уэстерли наблюдался после двухнедельного перерыва, п