Об особенностях ультразвуковых измерений в образцах угля с использованием поперечных упругих волн

Применение поперечных упругих волн ультразвукового диапазона частот при исследовании структуры и свойств горных пород позволяет повысить чувствительность контроля, а также дает возможность оценивать анизотропию геоматериала и выявлять в нем определенным образом ориентированные дефекты. Однако по сравнению с традиционно используемыми продольными волнами, применение сдвиговых волн связано с рядом сложностей, как на этапе их генерации, так и на этапах их ввода в контролируемую среду и приема из нее. Особенно это актуально при работе с хрупкими, пористыми и трещиноватыми породами с большим затуханием упругих волн, в частности, такими, как уголь. Лабораторные исследования проводились на образцах антрацита, каменного и бурого углей. Показано, что использование высоковязких жидких контактных сред, например меда, позволяет устойчиво регистрировать сдвиговые колебания в образцах углей. Однако многократное применение таких сред приводит к их проникновению в приповерхностный слой образца и постепенному изменению его акустических свойств и поврежденности. Предложено использовать для ввода поперечных волн в объект контроля и приема из него наждачную бумагу различной зернистости, которая приклеивается на протектор акустического преобразователя или сама является протектором. Для различных типов углей установлены оптимальные, обеспечивающие максимальное отношение сигнал/помеха значения зернистости наждачной бумаги. Показано, что ее применение в качестве контактной среды при многократных измерениях не снижает качества акустического контакта и не влияет на результаты ультразвуковых исследований.

Шкуратник В. Л., Николенко П. В., Ануфренкова П. С. Об особенностях ультразвуковых измерений в образцах угля с использованием поперечных упругих волн // Горный информационно-аналитический бюллетень. – 2020. – № 4. – С. 117–126. DOI: 10.25018/0236-1493-2020-4-0-117-126.

Работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований, соглашение № 18-05-70002.

Шкуратник Владимир Лазаревич¹ — д-р техн. наук, профессор, e-mail: ftkp@mail.ru,
Николенко Петр Владимирович¹ — канд. техн. наук, доцент, e-mail: petrov-87@mail.ru,
Ануфренкова Полина Сергеевна¹ — аспирант,
¹ НИТУ «МИСиС».

Шкуратник В.Л., e-mail: ftkp@mail.ru.

1. Taheri A., Squires J., Meng Z., Zhang Z. Mechanical properties of brown coal under different loading conditions // International Journal of Geomechanics. 2017, Vol. 17, no 11, Article number 06017020.

2. Шкуратник В. Л., Данилов В. Н. Об использовании поверхностных волн Рэлея для определения упругих параметров горных пород // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. — 2019. — № 3. — С. 48–54.

3. Njiekak G., Schmitt D. R. Effective stress coefficient for seismic velocities in carbonate rocks: effects of pore characteristics and fluid types // Pure and Applied Geophysics. 2019, Vol. 176, no 4, pp. 1467—1485.

4. Wang Z., Wang R., Li T., Zhao M. The combined effects of pore structure and pore fluid on the acoustic properties of cracked and vuggy synthetic rocks // Journal of Petroleum Science and Engineering. 2017, Vol. 156, pp. 202—211.

5. Kłopotowska A. Ultrasonic constraint of the microfracture anisotropy of flysch rocks from the Podhale Synclinorium (Poland) // International Journal of Earth Sciences. 2018, Vol. 107, no 6, pp. 1941—1953.

6. Szewczyk D., Bauer A., Holt R. M. Stress-dependent elastic properties of shales-laboratory experiments at seismic and ultrasonic frequencies // Geophysical Journal International. 2018, Vol. 212, no 1, pp. 189—210.

7. Khazanehdari J., Sothcott J. Variation in dynamic elastic shear modulus of sandstone upon fluid saturation and substitution // Geophysics. 2003, Vol. 68, no 2, pp. 472—481.

8. Xu X.-L., Zhang R., Dai F., Yu B., Gao, M.-Z., Zhang Y.-F. Effect of coal and rock characteristics on ultrasonic velocity // Meitan Xuebao. Journal of the China Coal Society. 2015, Vol. 40, no 4 , pp. 793—800.

9. Zeroug S., Sinha B. K., Lei T., Jeffers J. Rock heterogeneity at the centimeter scale, proxies for interfacial weakness, and rock strength-stress interplay from downhole ultrasonic measurements // Geophysics. 2018, Vol. 83, no 3, pp. D83—D95.

10. Dambly M. L. T., Nejati M., Vogler D., Saar M. O. On the direct measurement of shear moduli in transversely isotropic rocks using the uniaxial compression test // International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences. 2019, Vol. 113, pp. 220—240.

11. Ультразвуковые преобразователи для неразрушающего контроля / Под общ. ред. И.Н. Ермолова. — М.: Машиностроение, 1986. — 280 с.

12. Глозман И. А. Пьезокерамика. — М.: Энергия, 1972. — 288 с.

13. Gorbatsevich F. F. Acoustopolariscopy. A new direction in investigation of anisotropic heterogeneous media // Acta Acustica (Stuttgart). 2003, Vol. 89, pp. 122—123.

14. Gorbatsevich F. F. Physical principles and instruments for the acoustic polarization method of determining elastic anisotropy in rock samples // Geophysical Journal of the Royal Astronomical Society, 1987, Vol. 91, no 2, pp. 493—500.

15. Gorbatsevich F. F. Acoustic polarization method for determining elastic symmetry and constants of anisotropy in solid media // Ultrasonics, 1999, Vol. 37, no 4, pp. 309—319.

16. Shkuratnik V. L., Nikolenko P. V., Koshelev A. E. Stress dependence of elastic p-wave velocity and amplitude in coal specimens under varied loading conditions // Journal of Mining Science. 2016, Vol. 52, no 5, pp. 873—877.