Использование нагрева для повышения чувствительности ультразвукового метода контроля напряжений в породном массиве

Точность традиционных ультразвуковых методов контроля напряженно-деформированного состояния часто оказывается недостаточной из-за малой акустической тензочувствительности горных пород — параметра, описывающего изменение скорости продольной волны при деформировании образцов. Полученные ранее экспериментальные данные указывают на то, что нагрев горных пород может значительно увеличить указанную тензочувствительность. На основании полученных закономерностей разработан метод контроля напряженно-деформированного состояния приконтурного массива, позволяющего с повышенной точностью определять величину механического напряжения, действующего вдоль заданного направления. В лабораторных условиях проведена оценка эффективности и границ применения предлагаемого метода. Исследования проводились на 7 видах горных пород, отличающиеся по структуре, плотности и пористости, а также на модельном образце из дюралюминия Д16Т с нулевым уровнем дефектности. Каждый образец подвергался ультразвуковому прозвучиванию в заданных условиях температурного (от 25 до 100 °С) и механического (от 0 до 10 МПа) воздействий. По полученным информативным параметрам был определен показатель тензочувствительности геоматериала. Установлено, что наибольшее изменение тензочувствительности в условиях повышенных температур характерно для пород с высокими модулями упругости и низким коэффициентом пористости. Анализ затухания ультразвуковых показал, что основной причиной роста акустической тензочувствительности является образование микротрещин под действием температуры.

Ключевые слова: термобарическое воздействие, горные породы, тензочувствительность, ультразвук, контроль, напряженное состояние.
Как процитировать:

Николенко П. В., Шкуратник В. Л., Чепур М. Д. Использование нагрева для повышения чувствительности ультразвукового метода контроля напряжений в породном массиве // Горный информационно-аналитический бюллетень. – 2021. – № 11. – С. 159–168. DOI: 10.25018/0236_1493_2021_11_0_159.

Благодарности:

Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (проект № 19-05-00152).

 

Номер: 11
Год: 2021
Номера страниц: 159-168
ISBN: 0236-1493
UDK: 622.02:539.2
DOI: 10.25018/0236_1493_2021_11_0_159
Дата поступления: 19.07.2021
Дата получения рецензии: 01.09.2021
Дата вынесения редколлегией решения о публикации: 10.10.2021
Информация об авторах:

Николенко Петр Владимирович1 — канд. техн. наук, доцент, e-mail: p.nikolenko@misis.ru,
Шкуратник Владимир Лазаревич1 — д-р техн. наук, профессор,
Чепур Мария Дмитриевна1 — аспирант, e-mail: chepur-1995@mail.ru,
1 НИТУ «МИСиС».

 

Контактное лицо:

Николенко П.В., e-mail: p.nikolenko@misis.ru.

Список литературы:

1. Voznesenskii A. S., Nabatov V. V. Estimate of crack formation in gypsiferous rock mass by the method of electromagnetic radiation recording // Journal of Mining Science. 2003, vol. 39, pp. 207–215.

2. Tian M., Han L., Meng Q., Jin Y., Meng L. In situ investigation of the excavation-loose zone in surrounding rocks from mining complex coal seams // Journal of Applied Geophysics. 2019, vol. 168, pp. 90—100.

3. Chen T., Wang X., Mukerji T. In situ identification of high vertical stress areas in an underground coal mine panel using seismic refraction tomography // International Journal of Coal Geology. 2015, vol. 149, pp. 55—66.

4. Tang H., Long S., Li T. Quantitative evaluation of tunnel lining voids by acoustic spectrum analysis // Construction and Building Materials. 2019, vol. 228.

5. Voznesenskii A. S., Nabatov V. V. Identification of filler type in cavities behind tunnel linings during a subway tunnel surveys using the impulse-response method // Tunnelling and Underground Space Technology. 2017, vol. 70, pp. 254—261.

6. Ljunggren C., Chang Y., Janson T., Christiansson R. An overview of rock stress measurement methods // International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences. 2003, vol. 40, no. 7—8, pp. 975—989.

7. Meguid M. A., Dang H. K. The effect of erosion voids on existing tunnel linings // Tunnelling and Underground Space Technology. 2009, vol. 24, no. 3, pp. 278—286.

8. Yasuda N., Tsukada K., Asakura T. Three-dimensional seismic response of a cylindrical tunnel with voids behind the lining // Tunnelling and Underground Space Technology. 2019, vol. 84, pp. 399—412.

9. Vil’yaminov S. V., Voznesensky A. S., Nabatov V. V., Shkuratnik V. L. Regularities and mechanisms of thermal acoustic emission in gypseous rocks // Journal of Mining Science. 2009, vol. 45, pp. 533–540.

10. Menéndez B., David C. The influence of environmental conditions on weathering of porous rocks by gypsum. A non-destructive study using acoustic emissions // Environmental Earth Sciences. 2013, vol. 68, no. 6, pp. 1691—1706.

11. Zhang Z., Liu X., Zhang Y., Qin X., Khan M. Comparative study on fracture characteristics of coal and rock samples based on acoustic emission technology // Theoretical and Applied Fracture Mechanics. 2021, vol. 111.

12. Han J., Zhang H., Liang B., Rong H., Liu Y., Ren T. Influence of Large Syncline on In Situ Stress Field: A Case Study of the Kaiping Coalfield, China // Rock Mechanics and Rock Engineering. 2016, vol. 49, no. 11, pp. 4423—4440.

13. Teufel L. W. Determination of in-situ stress from partial anelastic strain recovery measurements of oriented cores from deep boreholes / 34th US Symposium on Rock Mechanics. Lecture notes of the short course in modern in situ stress measurement methods. Madison, 1993, pp. 19.

14. Matsuki K., Takeuchi K. Three-dimensional in situ stress determination by anelastic strain recovery of a rock core / Proceedings of the 34th US Symposium on Rock Mechanics. Madison, 1993.

15. Асанов В. А., Токсаров В. Н., Самоделкина Н. А., Бельтюков Н. Л., Ударцев А. А. Оценка напряженно-деформированного состояния нетронутого массива на месторождении «Жаман-Айбат» // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Геология. Нефтегазовое и горное дело. — 2014. — Т. 13. — № 12. — С. 56—66.

16. Леонтьев А. В., Попов С. Н. Опыт практического применения измерительного гидроразрыва // Горный журнал. — 2003. — № 3. — С. 37—43.

17. Hubbert M. K., Willis D. G. Mechanics of hydraulic fracturing // Bulletin of the American Association of Petroleum Geologists. 1957, vol. 957, pp. 153—168.

18. Cornet F. H., Li L., Hulin J. P., Ippolito I., Kurowski P. The hydromechanical behaviour of a fracture: an in situ experimental case study // International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences. 2003, vol. 40, no. 7, pp. 1257—1270.

19. Lakirouhani A., Detournay E., Bunger A. P. A reassessment of in-situ stress determination by hydraulic fracturing // Geophysical Journal International. 2016, vol. 205, pp. 1859—1873.

20. Sun Y. L., Peng S. S. Development of in-situ stress measurement technique using ultrasonic wave attenuation method — a progress report / Proceedings of the 30th US Symposium on Rock Mechanics. Morgantown, Rotterdam: Balkema, 1989, pp. 477–484.

21. Lovchikov A. V. Comparison of efficiency of in-situ methods for controlling the stress state of pillars under ultimate loads // International Multidisciplinary Scientific GeoConference Surveying Geology and Mining Ecology Management, SGEM. 2020, vol. 1.2, pp. 491—502.

22. Liu Y., Li Y., Qiao L., Fan D. Dry coupled ultrasonic testing technology and its application in testing rock dynamic and static parameters // Meitan Xuebao/Journal of the China Coal Society. 2019, vol. 44, no. 5, pp. 1465–1472.

23. Liu Y., Qiao L., Li Y., Ma G., Golosov A. M. Ultrasonic spectrum analysis of granite damage evolution based on dry-coupled ultrasonic monitoring technology // Advances in Civil Engineering. 2020, vol. 5, pp. 1—13.

24. Углов А. Л., Ерофеев В. И., Смирнов А. Н. Акустический контроль оборудования при изготовлении и эксплуатации. — М.: Наука, 2009. — 279 с.

25. Николенко П. В., Шкуратник В. Л., Чепур М. Д. Особенности изменения скоростей продольных и поперечных волн в образцах осадочных горных пород, подвергаемых термобарическим воздействиям // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2021. — № 7. — С. 5–13.

26. Николенко П. В., Шкуратник В. Л. Патент РФ № RU2704086 С1, 23.10.2019. Способ определения напряженного состояния массива горных пород. 2019. Бюл. № 30.

27. Николенко П. В., Шкуратник В. Л. Установка для ультразвуковых измерений на образцах геоматериалов в условиях термобарических воздействий // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2019. — № 5. — С. 89—96.

28. Kern H. Elastic wave velocities and constants of elasticity of rocks at elevated pressures and temperatures. Landolt-Boernstein, 1982, pp. 99—140.

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.