Тажибаев К. Т. Определение остаточных и действующих напряжений поляризационно-акустическим методом / К. Т. Тажибаев, Д. К. Тажибаев, М. С. Акматалиева. // Международный журнал гуманитарных и естественных наук. – 2018. – 4. – С. 134-139.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОСТАТОЧНЫХ И ДЕЙСТВУЮЩИХ НАПРЯЖЕНИЙ
ПОЛЯРИЗАЦИОННО-АКУСТИЧЕСКИМ МЕТОДОМ
К.Т. Тажибаев, д-р техн. наук, профессор, заведующий
Д.Д. Тажибаев, канд. техн. наук, заведующий лабораторией
М.С. Акматалиева, научный сотрудник
Институт геомеханики и освоения недр НАН КР
(Кыргызская Республика, г. Бишкек)
Аннотация. В статье рассмотрены условия формирования остаточных напряжений в горных породах. Показано, что зоны концентрации остаточных напряжений, в активных разломах, магматических горных породах, являются потенциальными очагами горных ударов и тектонических землетрясений. Представлены результаты определения остаточных и действующих напряжений в горных породах поляризационно – акустическим методом, основанным на закономерности изменения относительной величины скорости прохождения ультразвуковой поляризованной сдвиговой волны от механического напряжения.
Ключевые слова: горная порода, деформация, напряжение, остаточное напряжение, волновой модуль напряжения, поляризованная волна, горный удар, удароопасность.
Введение. Остаточные напряжения оказывают существенное влияние на процессы деформации и разрушения, а также на прочность и деформационные характеристики твердых материалов, в том числе горных пород. В хрупких и полухрупких материалах, особенно в горных породах остаточные напряжения провляются более интенсивно, чем в пластических материалах, где, например, аномальные деформационные изменения из-за неоднородных остаточных напряжений при нагружениях перекрываются значительными пластическими деформациями, и эти аномальные изменения в обшей деформации становятся практически не заметными. В то же время при неоднородных упруго — пластических деформациях, пластические деформации создают условия для формирования остаточных напряжений в форме упругих деформаций, сохранивщихся в виде потенциальной энергии внутри зон этих необратимых деформаций.
Остаточные напряжения в магматических горных породах формируются в большей мере вследствие неравномерного остывания высокотемпературной расплавленной магмы (эффузивные и интрузивные магматические горные породы), а в гидротермальных и метаморфических породах — под влиянием высоких температур имеющих место в недрах. Остаточные напряжения магматических горных пород следует назвать генетическими, а метаморфических – наведенными остаточными напряжениями.
Установлено, что зоны высокой концентрации остаточных напряжений, имеющих место в активных разломах и их перифериях, магматических горных породах, в контактных зонах метаморфических и гидротермальных пород, являются очагами горных ударов и тектонических землетрясений. При нарушении равновесного состояния высоких остаточных напряжений, так называемыми триггерными силами, происходит самоподдерживающееся динамическое разрушение горных пород, обуславливая сильный горный удар, а в более крупном масштабе тектоническое землетрясение [1,2,3]. Поэтому одна из важных проблем геомеханики – это достоверное и надежное определение напряжений в горных породах.
Удароопасные участки массива – это участки где имеются напряжения, сопоставимые с прочностью горных пород. В практике горного производства достигнуто, что определяя удароопасные участки массива горных пород исследователи могут обеспечивать не только прогноз, но предотвращение сильных горных ударов путем разгрузки опасных напряжений в этих участках камуфулетными маломощными взрывами [4,5].
Существующие методы определения напряжений, в том числе остаточных весьма трудоемкие и имеют не высокую точность. По своей природе остаточные напряжения неоднородные, а гланое, структурно связанные до уровня кристаллической решетки, вследствие чего при известных методах разгрузки, требующих образование новой поверхности путем бурения шпура или скважины, остаточные напряжения, из-за их внутренней структурной связанности, разгружаются не полностью.
Результаты исследования. Экспериментальными исследованиями была показана возможность определения остаточных и действующих напряжений в твердых материалах, в том числе горных породах на основе закономерности изменения относительной величины скорости прохождения ультразвуковой поляризованной сдвиговой волны от механического напряжения в твердых материалах (закон Кушбакали) по следующим формулам [6,7]:
;
; 
(1),
где 
, 
, 
— компоненты нормального напряжения по направлению X, Y, Z соответственно; KX, KY, KZ – волновой модуль напряжения (название модуля наше) по соответствующим направлениям (для квазиизотропных горных пород KX= KY= KZ = K) ; VSX, VSY, VSZ – скорости распространения ультразвуковой поперечной поляризованной волны через представительную базу напряженного (нагруженного или с остаточными напряжениями) материала по соответствующим направлениям; VSOX , VSOY , VSOZ — скорости распространения ультразвуковой поперечной поляризованной волны по направлениям X, Y, Z соотственно при отсутствии напряжения (не нагруженное состояние, без остаточных напряжений).
Из формулы 1 следует, что для определения напряжения необходимо измерить скорость поперечной поляризованной ультразвуковой волны для не нагруженного (при отсутствии остаточных напряжений) и нагруженного состояния, затем определить их относительную величину. Для определения волнового модуля напряжения из формулы 1 введем следующее обозначение:
; 
;
(2)
При этом из формулы 1 следует, что показатель 𝛚 определяет величину и знак напряжения, в том числе остаточного и поэтому данный показатель назвали акустическим параметром напряжения (остаточного или действующего). Например, при VSOX / VSX >1 знак напряжения положительный, то есть напряжение растягивающее и т.д. Равенство нулю параметра 𝛚 означает отсутствие действующего или остаточного напряжения.
В соответствии с обозначением 2 из формулы 1:
; 
; 
, отсюда
; 
; 
(3)
На основе формулы 1 вначале определяют изменение относительной величины скорости ультразвуковой поляризованной поперечной волны от напряжения твердого материала и среднее значение величины волнового модуля напряжения материала по формуле 3. Затем по соответствующим направлениям определяют остаточное или действующее напряжение.
Знаки остаточных или действующих напряжений определяются согласно знакам акустического параметра и волнового модуля напряжения.
Известно, что действующее напряжение, измеренное в породном массиве, в определенных участках может содержать и остаточные напряжения. Поэтому, при их наличии, остаточные напряжения детально исследуются и отдельно определяются в лабораторных условиях на основе измерений скорости ультразвуковой поляризованной поперечной волны в свободных от внешней нагрузки представительных кусках (образцах) горной породы, отобранных из мест измерения действующих напряжений.
На основе формулы 3 значение волнового модуля напряжения материала (К) определяется в лабораторных условиях, используя призматического образца, его ступенчато нагружая, при одновременном измерении скорости поперечной поляризованной ультразвуковой волны для каждого уровня нагрузки (рисунок 1).
На рисунке 2 в качестве примера представлены результаты определения волнового модуля напряжения для образца гранодиорита (Германия, Саксония). На рисунке 3 представлены результаты определения остаточных напряжений горных пород месторождений Кумтор и Ингичке (Кыргызстан, Узбекистан).
Сравнивая приведеные на рисунке 3 графики остаточных напряжений можно отметить, что в образце мраморизованного известняка месторождения Ингичке (зависимость 2) практически остаточные напряжения отсутствуют, а в образце метасамотита Кумторского месторождения (зависимость 1) имеются существенные сжимающие и растягивающие остаточные напряжения.
На рисунке 4 в качестве примера приведены результаты определения действующих (в образце) напряжений по формуле 1(зависимость 2) и сравнения величин напряжений, установленных по силоизмерителю нагружаюшего пресса (зависимость 1).
Из рисунка 4 видно, что данные действующего напряжения, полученные поляризационно-акустическим методом (по формуле 1) и прямым измерением по силоизмерителя достаточно хорошо согласуются между собой.
|
|
|
Рис. 1. Нагружение (на прессе ЦДМ-100) и прозвучивание (УК-10 ПМ) призматического образца |
Рис. 2. Зависимость волнового модуля напряжения от нагрузки одноосного сжатия (гранодиорит, Германия, Саксония)
Рис. 3. Графики остаточных напряжений для разных направлений в образцах горных пород (1-метасамотит, скважина Д780, Кумтор; 2- мраморизованный известняк,Ингичке, обр. 1)
Рис. 4. Графики действующего напряжения образца от нагрузки при одноосном сжатии (мрамор тонкозернистый Токтогулский, призма, обр. 1-5, нагружение, 1-график напряжения по силоизмерителю, 2- график напряжения по поляризационно-акустическому методу).
Заключение. Установлено, что в метасамотитах, отобранных из рудной зоны месторождения Кумтор, имеются значительные как сжимающие, так и растягивающие остаточные напряжения, сопоставимые с прочностью данной разновидности горной породы. Следует отметить, что в пределах объема образцов неоднородные сжимающие и растягивающие остаточные напряжения взаимно уравновешивая друг друга, обуславливают равновесное состояние.
Результаты определения поляризационно-акустическим методом действующего напряжения, созданного в образцах путем его одноосного статического сжатия гидравлическим прессом, и данные прямых измерений действующих напряжений, полученные с учетом показаний силоизмерителя, достаточно хорошо согласуются между собой.
библиографический список
1. Тажибаев К.Т. Условия динамического разрушения горных пород и причины горных ударов. – Фрунзе: Илим, 1989. – 179 с.
2. Тажибаев К.Т. О причинах и механизме горных ударов и землятресений / Исслед., прогноз и предотвр. горных ударов // Матер IX Всес.конф. по механике горн.пород. – Бишкек. – 1991. – С. 139-167.
3. Тажибаев К.Т. Напряжения, процессы деформации и динамического разрушения горных пород. В двух томах. Т. 1. –Бишкек: Издательство “Алтын Принт”, 2016. – 352 с.
4. Инструкция по безопасному ведению горных работ на шахтах, разрабатывающих пласты, склонные к горным ударам. – Л., ВНИМИ. 1981, 22 с.
5. Винокур Б.Ш., Неупокоев В.А., Сысолятин Ф.В. Способ предотвращения горных ударов. / Авторское свидетельство СССР. № 12089273, 1984.
6. Тажибаев К.Т., Акматалиева М.С., Тажибаев Д.К. Способ определения остаточных и действующих напряжений в твердых материалах / Патент Кыргызской Республики: № 1826, зарегистрировано в Государственном реестре изобретений Кыргызской Республики 29.01.2016 г.
7. Тажибаев К.Т.,Тажибаев Д.К., Акматалиева М.С. Закономерность изменения относительной величины скорости прохождения ультразвуковой поляризованной сдвиговой волны от механического напряжения в твердых материалах (закон Кушбакали) /Диплом № 453 на научное открытие от 3 октября 2013 года, г. Москва. Международная академия авторов научных открытий и изобретений, Российская академия естественных наук. //Научные открытия -2013. Сборник кратких описаний. – М.РАЕН, 2014. – С. 48-50.
DEFINITION RESIDUAL AND OPERATING STRESSES BY A POLARIZING
ACOUSTIC METHOD
K.T. Tazhibaev, doctor of technical sciences, professor, the laboratory
D.D. Tazhibaev, candidate of technical sciences, the laboratory chief
M.S. Akmatalieva, research
Institute of geomechanics and development of bowels national academy of sciences of the Kirghiz Republic
(Kirghiz Republic, Bishkek)
Abstract. Conditions of formation of residual stresses in rocks are considered in the article. It is shown that zones of concentration of residual stresses, in active breaks, magmatic rocks are the potential centers of rock bursts and tectonic earthquakes. Results of definition of residual and operating stresses in rocks by a polarizing acoustic method based on law of change of relative magnitude of speed of passage of an ultrasonic polarized shift wave from mechanical pressure are presented.
Keywords: rock, deformation, stress, a residual stress, the wave module of stress, a polarized wave, a rock burst, danger on rock burst.