Обоснование генерации сдвиговой упругой волны с помощью лазерного ультразвука в режиме эхо-импульсов в геоматериале

Одним из основных параметров геомеханических моделей является статический модуль упругости. Но довольно часто в условиях ограниченного количества геологического материала приходится определять динамические модули упругости по скоростям упругих волн в образцах и далее по известным корреляционным зависимостям определять значения статических. Существующие ультразвуковые методы с пьезовозбуждением и пьезоприемом не обладают высокой точностью измерения скоростей. Для решения данной проблемы предлагается использовать лазерную ультразвуковую диагностику. В данной работе приведено теоретическое обоснование генерации сдвиговой волны на разделе границ двух сред в эхо-режиме лазерного ультразвука на основе теории количественной сейсмологии. На этой основе был разработан аналитический расчёт временной формы сигнала ультразвуковых импульсов в среде образца известняка. Также были проведены экспериментальные исследования с помощью лазерной ультразвуковой установки УДЛ-2М с целью получения временной формы сигнала на образце известняка. Аналитически определенная временная форма сигнала сравнена с экспериментальной временной формой, также были рассчитаны значения скоростей экспериментальным способом и аналитическим. В итоге была разработанная методика определения скоростей упругих волн в образцах горных пород с помощью подбора временной формы сигналов.

Шибаев И. А., Бычков А. С. Обоснование генерации сдвиговой упругой волны с помощью лазерного ультразвука в режиме эхо-импульсов в геоматериале // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2021. — № 4-1. — С. 108—117. DOI: 10.25018/0236_1493_2021_41_0_108.

Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта № 19—35—90063.

Шибаев Иван Александрович¹ — аспирант, mrdfyz@mail.ru;
Бычков Антон Сергеевич¹ — канд. физ.-мат. наук, младший научный сотрудник, abychkov@optoacoustic.ru;
¹ Национальный Исследовательский Технологический Университет «МИСиС» Горный институт, Москва, Россия.

1. Осипов Ю. В., Кошелев А. Е. Современные способы определения деформационных свойств горных пород // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2017. — № 11. — С. 68—75. DOI: 10.25018/0236-1493-2017-11-0-68-75.

2. Waqas U., Ahmed M. F. Prediction Modeling for the Estimation of Dynamic Elastic Young’s Modulus of Thermally Treated Sedimentary Rocks Using Linear–no.nlinear Regression Analysis, Regularization, and ANFIS // Rock Mechanics and Rock Engineering, 2020, Vol. 53, Issue 12, pp. 5411—5428. DOI: 10.1007/s00603-020-02219-8.

3. Hoek E., Diederichs M. S. Empirical estimation of rock mass modulus // International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences, 2006, Vol. 43, pp. 203—215.

4. Sas I. E., Morozov D. V., Morozov N. A. On calculation of the bearing capacity of selfopening ground anchors using PLAXIS 2D software package // Durability of Critical Infrastructure, Monitoring and Testing. Lecture no.tes in Mechanical Engineering. Springer, Singapore, 2017, pp. 104—109. DOI: 10.1007/978-981-10-3247-9_12.

5. Sabatakakis N., Koukis G., Tsiambaos G., Papanakli S. Index properties and strength variation controlled by microstructure for sedimentary rocks // Engineering Geology, 2008, Vol. 97, pp. 80—90.

6. Saad A., Guedon S., Martineau F. Microstructural weathering of sedimentary rocks by freeze-thaw cycles: Experimental study of state and transfer parameters // Comptes Rendus Geoscience, 2010, Vol. 342, Issue 3, pp. 197—203.

7. Li J., Zhou K., Zhang Y., Xu Y. Experiment study on physical characteristics in weathered granite under freezing-thawing cycles, Zhongnan Daxue Xuebao (Ziran Kexue Ban) // Journal of Central South University (Science and Technology), 2014, Vol. 45, Issue 3, pp. 798—802.

8. Eissa E. A., Kazi A. Relation between static and dynamic Young’s moduli of rocks // International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences and Geomechanics Abstracts, 1988, Vol. 25, Issue 6, pp. 479—482.

9. Машинский Э. И. Физические причины различия статических и динамических модулей упругости горных пород // Геология и геофизика. — 2003. — Т. 44. — no. 9. — С. 953—959.

10. Auld B. A. Acoustic Fields and Waves in Solids. Volume 1. California: Krieger Publishing Company, 1990. 446 p.

11. ГОСТ 21153.7—75. Породы горные. Метод определения скоростей распространения упругих продольных и поперечных волн. — М.: ИПК Издательство стандартов, 2001. — 8 с.

12. ASTM 2845—08. Standard Test Method for Laboratory Determination of Pulse Velocities and Ultrasonic Elastic Constants of Rock, 2017, 7 pages.

13. In’kov V. N., Cherepetskaya E. B., Shkuratnik V. L., Karabutov A. A., Makarov V. A. Ultrasonic echo sounding by thermal optical sources of longitudinal waves // Journal of Mining Science, 2004, Vol. 40, Issue 3, pp. 231—235.

14. Кравцов А., Иванов П. Н., Малинникова О. Н., Черепецкая Е. Б., Гапеев А. А. Исследование микроструктуры углей Печорского бассейна методом лазерно-ультразвуковой спектроскопии // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2019. — № 6. — С. 56 — 65. DOI: 10.25018/0236—1493—2019—06—0-56—65.

15. Karabutov A. A., Podymova N. B., Cherepetskaya E. B. Determination of uniaxial stresses in steel structures by the laser-ultrasonic method // Journal of Applied Mechanics and Technical Physics, 2017, Vol. 58, Issue 3, pp. 503—510. DOI: 10.1134/S0021894417030154.

16. Bychkov A., Simonova V., Zarubin V., Cherepetskaya E., Karabutov A. The progress in photoacoustic and laser ultrasonic tomographic imaging for biomedicine and industry: A review // Applied Sciences, 2018, Vol. 8, Issue 10, Article 1931. DOI:10.3390/app8101931.

17. Cherepetskaya E. B., Karabutov A. A., Makarov V. A., Mironova E. A., Shibaev I. A., Vysotin N. G., Morozov D. V., Internal structure research of shungite by broadband ultrasonic spectroscopy // Key Engineering Materials, 2017, Vol. 755, 2017, pp. 242—247.

18. Аки К., Ричардс П. Количественная сейсмология. — Москва: Мир, 1983. — 521 с.