Влияние связных границ раздела доломит-гипс на акустические свойства и поврежденность горной породы при циклических изгибных нагружениях

Рассмотрено изменение скоростей упругих волн Cp, Cs1, Cs2 и акустической добротности Q балок породы при циклическом изгибе. Образцы содержали связные границы доломит-гипс сложной текстуры. Измерялись количество циклов нагружения и параметр поврежденности Q. Эксперименты проводились на образцах-балках пород Новомосковского месторождения гипса (Тульская область, Россия) при изгибе по трехточечной схеме. В верхней части образца находился, в основном, слой доломита, который обладал более высокой прочностью, меньшими акустическими потерями и более высокой акустической добротностью по сравнению с гипсом, расположенным преимущественно в нижней части образца. Переход между доломитом и гипсом имел сложную пятнистую текстуру с чередованием обоих минералов. Эксперимент проводился сериями по 100 циклов загрузки / разгрузки. Скорости продольных и поперечных (вдоль и поперек направления нагрузки) упругих волн, а также акустическая добротность измерялись до испытания и между циклами. Максимальная нагрузка цикла в каждой последующей серии увеличивалась по сравнению с предыдущей серией, чтобы найти режим малоцикловой усталости. Скорости упругих волн уменьшались, а акустическая добротность возрастала при увеличении количества усталостных циклов. Непосредственно перед разрушением добротность Q показала резкое снижение, связанное с разрушением матрицы. Моделирование методом конечных элементов подтвердило гипотезу, что увеличение добротности связано с ослаблением прочности контактов на границах между высокодобротным доломитом и низкодобротным гипсом. Параметр поврежденности  оценивался как отношение общего количества событий АЕ с начала эксперимента к общему количеству событий АЕ при разрушении. Определена точность регрессионных зависимостей оценки параметра поврежденности  по акустическим свойствам при их различном количестве.

Ключевые слова: горные породы, связная граница, доломит-гипс, сложная текстура, акустический, упругие волны, скорость, добротность.
Как процитировать:

Вознесенский А. С., Красилов М. Н., Куткин Я. О., Тютчева А. О. Влияние связных границ раздела доломит-гипс на акустические свойства и поврежденность горной породы при циклических изгибных нагружениях // Горный информационно-аналитический бюллетень. – 2020. – № 7. – С. 27–44. DOI: 10.25018/0236-1493-2020-7-0-27-44.

Благодарности:

Работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (РФФИ), Россия, грант № 20-05-00341.

Номер: 7
Год: 2020
Номера страниц: 27-44
ISBN: 0236-1493
UDK: 552.541:552.08
DOI: 10.25018/0236-1493-2020-7-0-27-44
Дата поступления: 17.03.2020
Дата получения рецензии: 21.04.2020
Дата вынесения редколлегией решения о публикации: 20.06.2020
Информация об авторах:

Вознесенский Александр Сергеевич1 — д-р техн. наук, профессор, e-mail: al48@mail.ru,
Красилов Максим Николаевич1 — аспирант, e-mail: krasilov.maksim.93@mail.ru,
Куткин Ярослав Олегович1 — канд. техн. наук, доцент, e-mail: kutnew@mail.ru,
Тютчева Анастасия Олеговна1 — аспирант, e-mail: 9295947810@mail.ru,
1 ГИ НИТУ «МИСиС».

 

Контактное лицо:

Вознесенский А.С., e-mail: al48@mail.ru.

Список литературы:

1. Li W., Bai J., Cheng J., Peng S., Liu H. Determination of coal–rock interface strength by laboratory direct shear tests under constant normal load // International Journal of Rock Mechanics and Mining Science. 2015. Vol. 77. Pp. 60—67. DOI: 10.1016/j.ijrmms.2015.03.033.

2. Krautblatter M., Funk D., Günzel F. K. Why permafrost rocks become unstable. A rockice-mechanical model in time and space // Earth Surface Processes and Landforms. 2013. Vol. 38. Pp. 876—887. DOI: 10.1002/esp.3374.

3. Бейсембаев К. М., Малыбаев Н. С., Тутанов С. К., Шманов М. Н. Разработка модели лавы для системы управления механизированной крепью с обратной связью // Горный журнал. — 2019. — № 8. — С. 38—43. DOI. 10.17580/gzh.2019.08.07.

4. Stanchits S., Burghardt J., Surdi A. Hydraulic Fracturing of Heterogeneous Rock Monitored by Acoustic Emission // Rock Mechanics and Rock Engineering. 2015. Vol. 48. Pp. 2513— 2527. DOI: 10.1007/s00603-015-0848-1.

5. Zhong H., Ooi E. T., Song C., Ding T., Lin G., Li H. Experimental and numerical study of the dependency of interface fracture in concrete-rock specimens on mode mixity // Engineering and Fracture Mechanics. 2014. Vol. 124—125. Pp. 287—309. DOI: 10.1016/j.engfracmech.2014.04.030.

6. Carrubba P. Skin friction on large-diameter piles socketed into rock // Canadian Geotechnical Journal. 1997. Vol. 34. Pp. 230—240. DOI: 10.1139/t96-104.

7. Li Y., Liu W., Yang C., Daemen J. J. K. Experimental investigation of mechanical behavior of bedded rock salt containing inclined interlayer // International Journal of Rock Mechanics and Mining Science. 2014. Vol. 69. Pp. 39—49. DOI: 10.1016/j.ijrmms.2014.03.006.

8. Mets Y. S. Study of blasting fatigue in rocks // Soviet Mining Science, 1983. Vol. 19. Pp. 37—42. DOI: 10.1007/BF02497962.

9. Мец Ю. С. Исследование влияния взрывных нагрузок различной интенсивности на сопротивляемость механическому разрушению крепких магнетитовых кварцитов // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. — 1982. — № 3. — C. 58—61.

10. Labaune P., Rouabhi A. Dilatancy and tensile criteria for salt cavern design in the context of cyclic loading for energy storage // Journal of Natural Gas Science and Engineering. 2019. Vol. 62. Pp. 314—329. DOI: 10.1016/j.jngse.2018.10.010.

11. Kun G., Hailong L., Zhixin Y. In-situ heavy and extra-heavy oil recovery. A review // Fuel. 2016. Vol. 185. Pp. 886—902. DOI: 10.1016/j.fuel.2016.08.047.

12. Зайнагабдинов Д. А., Быкова Н. М. Транспортные тоннели и геодинамика горных массивов // Науковедение. Интернет-журнал. — 2014. — № 5 (24). Доступ: http://naukovedenie.ru/PDF/13KO514.pdf.

13. Yang D., Zhang D., Niu S., Dang Y., Feng W., Ge S. Experiment and study on mechanical property of sandstone post-peak under the cyclic loading and unloading // Geotechnical and Geological Engineering. 2018. Vol. 36. Pp. 1609 – 1620. DOI: 10.1007/s10706-017-0414-6.

14. Cao A., Jing G., Ding Y., Liu S. Mining-induced static and dynamic loading rate effect on rock damage and acoustic emission characteristic under uniaxial compression // Safety Science. 2019. Vol. 116. Pp. 86—96. Available at: https://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/ S0925753518318356.

15. Винников В. А., Захаров В. Н., Малинникова О. Н., Черепецкая Е. Б. Исследование структуры и упругих свойств геоматериалов с помощью контактной широкополосной ультразвуковой структуроскопии // Горный журнал. — 2017. — № 4. — С. 24—32.

16. Stoeckhert F., Molenda M., Brenne S., Alber M. Fracture propagation in sandstone and slate — Laboratory experiments, acoustic emissions and fracture mechanics // Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering. 2015. Vol. 7. No 3. Pp. 237—249. Available at: https://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/S1674775515000475.

17. Работнов Ю. Н. Введение в механику разрушения. — М.: Наука, 1987. — 80 с.

18. Качанов Л. М. Основы механики разрушения. — М.: Наука, 1974. — 312 с.

19. Николенко П. В., Шкуратник В. Л., Чепур М. Д. Акустико-эмиссионные эффекты при растяжении композитов и их использование для контроля состояния кровли горных выработок // Горный журнал. — 2019. — № 1. — С. 13—16. DOI: 10.17580/gzh.2019.01.03.

20. Damaskinskaya E. E., Panteleev I. A., Gafurova D. R., Frolov D. I. Structure of a deformed inhomogeneous material on the data of acoustic emission and X-Ray computer microtomography // Physics of the Solid State. 2018. Vol. 60. No 7. Pp. 1363—1367. DOI: 10.1134/ S1063783418070077.

21. Тихоцкий С. А., Фокин И. В., Баюк И. О., Белобородов Д. Е. и др. Комплексные лабораторные исследования керна в ЦПГИ ИФЗ РАН // Наука и технологические разработки. — 2017. — Т. 96. — № 2. — С. 17—32. DOI: 10.21455/std2017.2-2.

22. Lebedev A. V., Ostrovskii L. A., Sutin A. M., Soustova I. A., Johnson P. A. Resonant acoustic spectroscopy at low Q factors // Acoustical Physics. 2003. Vol. 49. No 1. Pp. 81—87. DOI: 10.1134/1.1537392.

23. Вознесенский А. С., Красилов М. Н., Куткин Я. О., Тавостин М. Н. Лабораторная система для расширенных испытаний образцов горных пород при изгибе // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2018. — № 10. — С. 132–137. DOI: 10.25018/02361493-2018-10-0-132-137.

24. Пономарев С. В., Рикконен С. В., Азин А. В., Каравацкий А. К., Марицкий Н. Н., Пономарев С. А. Применение метода акустической эмиссии для моделирования долговечности металлических элементов строительных конструкций / Перспективные материалы в строительстве и технике (ПМСТ-2014). Материалы Международной научной конференции молодых ученых. — Томск, 2014. — С. 557—565.

Наши партнеры

Подписка на рассылку

Раз в месяц Вы будете получать информацию о новом номере журнала, новых книгах издательства, а также о конференциях, форумах и других профессиональных мероприятиях.