Определение динамических модулей упругости образцов горных пород при использовании различных методов лазерной ультразвуковой диагностики

Основным упругим параметром геомеханических моделей является модуль упругости. При ограниченном количестве геологического материала в виде исходного керна приходится находить динамические модули упругости для дальнейшего определения статических модулей по известным моделям. Существующие ультразвуковые методы с пьезовозбуждением и пьезоприемом не обладают высокой точностью измерения скоростей. Для решения данной проблемы предлагается использовать лазерную ультразвуковую диагностику. В работе исследовались полноразмерные образцы горных пород различного генотипа — гранит и известняк. Динамические модули упругости полноразмерных образцов каждой из пород рассчитывались по скоростям упругих волн в них, определенным с помощью лазерной ультразвуковой установки Геоскан-02МУ в режиме проходящих волн. А для образцов-пластин, которые подготавливались из полноразмерных образцов, модули были определены с помощью установки УДЛ-2М в эхо-режиме. Далее динамические упругие модули полноразмерных образцов и подготовленных из них образцов-пластин сравнивались. С помощью проведенного корреляционно-регрессионного анализа была выявлена тесная связь между полученными значениями. Было установлено, что для оценки динамического модуля упругости горной породы достаточно использовать образец-пластину, подготовленную из ненарушенного керна. Также был разработан алгоритм предварительной оценки динамического модуля упругости на образцах-пластинах горных пород.

Шибаев И. А. Определение динамических модулей упругости образцов горных пород при использовании различных методов лазерной ультразвуковой диагностики // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2021. — № 4-1. — С. 138—147. DOI: 10.25018/0236_1493_2021_41_0_138.

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

Шибаев Иван Александрович — аспирант, mrdfyz@mail.ru, 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. 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.

3. Wellington S. L., Vinegar H. J. X-ray computerized tomography // Journal of Petroleum Technology, № 39, pp. 885–898, 1987. DOI: http://dx.doi.org/10.2118/16983-PA.

4. Ketcham R. A., Carlson W. D. Acquisition, optimization and interpretation of X-ray computed tomographic imagery: Applications to the geosciences // Computers & Geosciences, Issue 27, pp. 381—400, 2001. DOI: http://dx.doi.org/10.1016/S0098—3004(00)00116—3.

5. Koopialipoor M., Noorbakhsh A., Ghaleini A. N., Armaghani D. J., Yagiz S. A new approach for estimation of rock brittleness based on non-destructive tests // Nondestructive Testing and Evaluation, 2019. Vol. 34, Issue 4, pp. 354—375, DOI: 10.1080/10589759.2019.1623214.

6. Шибаев И. А., Винников В. А., Степанов Г. Д. Определение упругих свойств осадочных горных пород на примере образцов известняка с помощью лазерной ультразвуковой диагностики // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2020. — № 7. — С. 125–134. DOI: 10.25018/0236-1493-2020-7-0-125-134.

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

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

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

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

11. 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.

12. 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.

13. 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.

14. Grigoriev K. S., Kuznetsov N. Yu., Cherepetskaya E. B., Makarov V. A. Second harmonic generation in isotropic chiral medium with nonlocality of nonlinear optical response by heterogeneously polarized pulsed beams // Optics Express, 2017, Vol 25, Issue 6, pp. 6253—6262. DOI: 10.1364/OE.25.006253.

15. Bychkov A. S., Cherepetskaya E. B., Karabutov A. A., Makarov V. A. Laser optoacoustic tomography for the study of femtosecond laser filaments in air // Laser Physics Letters, 2016, Vol. 13, No. 8, pp. 085401—085405. DOI: 10.1088/1612-2011/13/8/085401.

16. 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.

17. Фаворская А. В. Исследование свойств материала пластины лазерным ультразвуком при помощи анализа кратных волн // Компьютерные исследования и моделирование. — 2019. — Т. 11. — № 4. — С. 653—673