РАЗДЕЛ 2
Физические аспекты автоматического виброакустического контроля параметров
массива пород и крепи в сложных горно-геологических условиях
2.1. Приконтурный массив горных пород, ударные волны, колебания и колебательные
системы, резонансные явления в блоковых и плоскопараллельных структурах
Горная порода – неоднородная по структуре, текстуре и свойствам среда.
Неоднородности изменяются в широких пределах, например, раскрытия трещин – от
до м при длине от м до сотен метров, размеры включений и природных пустот в
массиве – от м до нескольких метров в сечении, зоны концентрации напряжений –
от м (вокруг скважин) до многих сотен метров (тектонические напряжения). Часто
геологические процессы приводят к возникновению упорядоченной неоднородности
массива: слоистости, блочности и периодичности элементов неоднородности, что
обусловливает анизотропию среды. Для измерений неоднородность является
относительным понятием. Когда область контроля значительно превышает размеры
элементов неоднородности, то среду можно считать квазиоднородной, а
неоднородности проявляют свои свойства только интегрально. Наоборот, если
естественная неоднородность не укладывается в изучаемую область пространства,
то она возможно и не будет обнаружена. Следовательно, неоднородности в массиве
обладают масштабным эффектом. Степень неоднородности при измерениях условно
разделяют на четыре группы: 1) неоднородности крупного масштаба, включающие
фациальную изменчивость, тектонические разрывы, зоны выветривания и разгрузки,
горно-технологические объекты; 2) неоднородности структуры и состава пород в
пределах отдельной пачки, слоя, включая макротрещиноватость, наличие мелких
тектонических дислокаций; 3) неоднородность состава пород в пределах
элементарного объема (образец), различие в химическом и минеральном составе,
форме и размерах зерен, микротрещины; 4) неоднородности реальных кристаллов,
дефектность кристаллической решетки, дислокации [31].
В практике геоакустики и сейсморазведки в основном используют волны разрыва, а
именно ударные волны: в случаях применения взрыва или при мощном ударном
возбуждении, при изучении землетрясений, горных ударов, выбросов пород, угля и
газа. Под ударной волной понимают волну, имеющую скачок давления или других
физических параметров. Ударная волна в линейно-упругих средах остается ударной
на всех расстояниях от начального участка, однако в нелинейно-упругих средах
основную ударную волну называют пластической, так как на ее фронте происходят
необратимые явления, а ударную волну, двигающуюся перед ней, упругой. Основная
особенность неразрушающего контроля заключается в том, что он не должен
изменять (ухудшать) исходные механические свойства объекта, поэтому мощность
взрыва или силу удара подбирают минимальной, для которой ударную волну можно
считать упругой. Однако этой энергии вполне достаточно для возбуждения
колебаний в блоковых и плоскопараллельных структурах. По диапазонам частот
упругие колебания классифицируют: до 16 Гц – инфразвуки; от 16 до (16-20)х103
Гц – звуки; от 16х103 до 109 Гц – ультразвуки [160]. Для того, чтобы колебания
стали незатухающими, необходимо обеспечить постоянный приток энергии в
систему.
Волна – это распространение колебаний в пространстве, происходящее с конечной
скоростью. Она является наиболее быстрым механизмом переноса энергии без
переноса вещества, позволяющим осуществить в системе переход от неравновесного
состояния к равновесному. Критерием перехода процесса от колебательного
движения к волновому служат условия квазистационарности:
- колебательное движение;
- волновое, (2.1)
где – характерные линейные размеры системы; - скорость распространения
возмущения; – время его заметного изменения (время удара).
Колебательный процесс происходит в системе с сосредоточенными параметрами (), а
волновой – с распределенными [22].
На основе измерений скоростей упругих волн в породных массивах и материалах
крепей (табл. 2.1), времени соударения и реальных размеров деревянных, бетонных
и металлических конструкций и крепей (табл. 2.2) цельный массив горных пород
можно отнести к системе с распределенными параметрами, разрушенный массив и
крепи - к системам с сосредоточенными параметрами.
В безграничной линейной среде, где справедлив закон Гука, продольные и
поперечные волны распространяются независимо друг от друга [22]:
; , (2.2)
где и - скорости продольных и поперечных волн; и - модули всестороннего сжатия
и сдвига, - плотность. Если модуль сдвига , то среда ведет себя как жидкость
или газ, при этом поперечные волны в ней не распространяются. При наличии
границы продольные и поперечные волны становятся связанными уже в линейном
приближении, так, при падении из твердого тела на его границу волны одного типа
происходит трансформация части ее энергии в волну другого типа. Кроме того,
возникает комбинация плоских неоднородных волн (продольных и сдвиговых),
бегущих вдоль границы – волн Релея. Показатели затухания таких волн
частотно-зависимы; толщина приповерхностного слоя, в котором сосредоточена
энергия, тем меньше, чем короче длина волны. При проведении горных выработок
буровзрывным способом приконтурный массив выработок насыщен неглубокими
трещинами, поэтому высокочастотные составляющие поверхностных волн быстро
затухают. Для реальных твердых тел величина
Таблица 2.1
Физические свойства горных пород и материалов крепи
Порода, материал крепи
Плот-ность ,
Скорости волн ,
Коэф-фициент Пуассо-на
Модуль Юнга ,
продоль-
ных
попереч-
ных
Базальт
2,8-2,9
5200-5500
3000-3200
0,15-0,25
6,0
- Київ+380960830922