Аппаратно-программный лабораторный комплекс для решения задач физики разрушения горных пород тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 25.00.10, кандидат технических наук Патонин, Андрей Викторович

• Патонин, Андрей Викторович
• кандидат технических наук
• 2012

Оглавление диссертации кандидат технических наук Патонин, Андрей Викторович

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ЛАБОРАТОРНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ПО ФИЗИКЕ

РАЗРУШЕНИЯ ГОРНЫХ ПОРОД.

1.1. Классификация лабораторных испытательных прессов.

1.2. Регистрирующая аппаратура и методы исследования.

1.3. Основные решаемые задачи

1.4. Сравнительный анализ лабораторных комплексов на базе 21 прессов 1\0\/Д и МТЯ

ГЛАВА 2. ЭЛЕКТРО-ГИДРАВЛИЧЕСКАЛ СИСТЕМА И ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ

ТРЕХОСНЫХ ИС11Ы1 АНИЙ.

2.1. Станция контроля и управления прессом.

2.2. Камера всестороннего сжатия с контейнером для размещения образна.

2.3. Методика подготовки и проведения эксперимента.

ЕЛАВА 3. ДАТЧИКИ И РЕГИСТРАЦИЯ ДАННЫХ.

3.1. Регистрация давления, осевой и радиальной деформации.

3.2. Непрерывная регистрация потока акустической эмиссии.

3.3. Регистрация волновых форм сигналов акустической эмиссии

3.4. Ультразвуковое зондирование.

3.5. Трехкомпонентные акустические датчики.

ЕЛАВА 4. АЛГОРИТМЫ И МЕТОДЫ АНАЛИЗА ДАННЫХ.

4.1. Напряженно-деформационные характеристики.

4.2. Выделение отдельных событий из общего потока 72 акустической эмиссии.

4.3. Скорости упругих волн в анизотропной среде.

4.4. Координаты источников сигналов акустической эмиссии

4.5. Синхронизация данных.

4.6. Формирование базы данных и ее структура.

ГЛАВА 5. РЕШЕНИЕ РЯДА ЗАДАЧ ФИЗИКИ РАЗРУШЕНИЯ ГОРНЫХ ПОРОД

5.1. Моделирование сейсмического режима с афтершоковой и 94 роевой активностью.

5.2. Моделирование разломной зоны.

5.3. Моделирование триггерных эффектов.

5.4. Геотермические испытания материалов.

5.5. Диагностика напряженного состояния по затуханию упругих 112 волн.

5.6. Моделирование приливных явлений.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Аппаратно-программный лабораторный комплекс для решения задач физики разрушения горных пород»

Изучение процессов зарождения, формирования и развития горных ударов и землетрясений неразрывно связано с моделированием й изучением этих процессов в лабораторных условиях [6, 10, 12, 29]. Сложность таких исследований обусловлена в первую очередь слабо развитыми приборами й техникой лабораторного моделирования, й их высокой стоимостью: Кроме этого, при проведении эксперимента, создать условия, близкие к тем, которые наблюдаются в природе достаточно трудно. Обычно лабораторные исследования геоматериалов проводят как в условиях повышенного внешнего (гидростатического) давления, так и при избыточном осевом давлении. Создаваемое внешнее воздействие требует контроля со стороны Исследователя и возможности изменения режимов деформации и прикладываемых нагрузок. Регистрация различных физических параметров необходима для дальнейшего анализа. Чем больше параметров регистрируется, тем качественнее будет анализ и последующие выводы.

Для успешного проведения лабораторных экспериментов в условиях одноосной и трехосной деформации, изучения процессов, происходящих на всех стадиях деформации и разрушения геологического материала, большое значение имеет решение, по меньшей мере, нескольких задач: 1. Созданйе гибкой системы управления режимами испытания. геоматериала, позволяющей оперативно вмешиваться в ход испытания. ч2. Создание регистрирующей аппаратуры записи как медленно, так и. быстро изменяющихся физических величин с привязкой всех измерений к единому • высокоточному времени. 3. Разработка алгоритмов и методов обработки полученной информации с • созданием единой, унифицированной базы данных, дающей возможность быстро и удобно использовать как исходный материал, так и результаты постобработки.

Настоящая работа была направлена на создание единого аппаратно-программного исследовательского комплекса для всестороннего изучения процессов, происходящих при разрушении геоматериалов в условиях как одноосной, так и трехосной программируемой деформации.

Целью диссертационной работы является: 1. Создание современного лабораторного исследовательского комплекса для проведения серий испытаний горных пород в условиях одноосного и трехосного сжатия, включающего в себя систему контроля и управления режимами испытаний и аппаратно-программного измерительного комплекса для регистрации физических параметров исследуемого материала и дальнейшей обработки исходных данных с последующим формированием единой структуры базы данных, удобной для анализа. Для достижения этой цели были поставлены и решены следующие задачи:

1. Разработка и создание системы управления режимами испытаний, способной реализовывать широкий спектр перепрограммируемых режимов нагружения испытуемого материала в условиях одноосной деформации.

2. Разработка и изготовление контейнера для размещения образца в "камере высокого давления для проведения испытаний в условиях трехосной деформации, совмещающего в себе сеть акустических и тензометрических датчиков.

3. Разработка и создание станции регистрации скоростей упругих волн в анизотропной среде.

4. Разработка и создание станции регистрации волновых форм сигналов акустической эмиссии, возникающих в процессе разрушения материала.

5. Разработка и создание станции непрерывной регистрации потока акустической эмиссии.

6. Создание системы синхронизации, обеспечивающей высокую точность привязки данных всех регистрирующих станций к единой временной шкале.

7. Разработка алгоритма определения скоростей упругих волн и расчета главных осей тензора скоростей в анизотропной среде.

8. Разработка алгоритма определения координат источников сигналов акустической эмиссии.

9. Разработка алгоритма выделения отдельного события из общего потока акустической эмиссии.

10.Создание единой базы данных, включающей в себя как первичные, так и обработанные данные результатов испытаний.

В диссертации на защиту выносятся:

1. Аппаратно-программный лабораторный комплекс, как единый, законченный инструмент, позволяющий проводить полномасштабные испытания материалов горных пород в условиях одноосного и трехосного сжатия с применением разнообразных режимов нагружения, с регистрацией механических и акустических характеристик, а также осуществляющий дальнейшую постобработку исходных данных с формированием единой базы данных.

Научная новизна работы и личный вклад автора определяется рядом впервые полученных аппаратных, программных, методических и экспериментальных результатов, среди которых:

1. Автором разработана и введена в эксплуатацию уникальная система контроля и управления прессом, реализующая большой перечень режимов1 нагружения испытуемого материала при высокой точности поддержания заданной осевой деформации.

2. Автором разработана и введена в эксплуатацию 16-канальная станция регистрации волновых форм сигналов акустической эмиссии, совмещенная с системой ультразвукового зондирования, позволяющая определять4 1 скорости распространения упругих волн по заданным трассам и координаты источников сигналов акустической эмиссии.

3. Автором разработана и введена в эксплуатацию уникальная станция непрерывной регистрации потока акустической эмиссии, дающая возможность выделять отдельные акустические события и с высокой точностью определять их амплитудно-временные характеристики. .

4. Автором отработана методика проведения испытаний, включающая в себя предварительную подготовку образца, начальное тестирование системы,-непосредственное проведение экспериментов с дальнейшей постобработкой результатов.

5. Автором отлажен алгоритм определения скоростей упругих волн по отдельным трассам зондирования и определения главных компонент тензора скоростей в анизотропной среде.

6. Автором реализован алгоритм определения координат источников сигналов акустической эмиссии, позволяющий за счет многостадийной выбраковки существенно повысить точность локации.

7. Опираясь на оригинальную методику выделения одиночного события автором, на качественном и количественном уровне, из общего потока акустической энергии выделены события в широком энергетическом спектре с высоким разрешением по времени и минимальной потерей информации. 7

8. При непосредственном активном участии автора с помощью разработанного исследовательского комплекса произведены большие серий испытаний различных геоматериалов с применением различных режимов

I * нагружения. Получены базы первичных и частично обработанных данных.

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, библиографии и четырех приложений. Объем диссертации составляет 149 станиц, включая 55 рисунков, 2 таблицы, список литературы на 52 наименования и четыре

Заключение диссертации по теме «Геофизика, геофизические методы поисков полезных ископаемых», Патонин, Андрей Викторович

- Основные результаты работы докладывались на общероссийских и международных конференциях и симпозиумах, опубликованы в ряде российских и зарубежных ведущих изданий. На отдельные программные продукты получено три свидетельства об отраслевой регистрации разработки Отраслевого Фонда Алгоритмов и Программ.

124

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате проделанной работы был разработан, изготовлен, отлажен и всесторонне опробован научно-исследовательский комплекс для испытаний различных материалов горных пород в лабораторных условиях при их одноосной и трехосной деформации. Данный инструмент представляет собой единую, функционально законченную систему подготовки, проведения эксперимента и дальнейшей обработки полученных данных. Комплекс включает в себя систему контроля и управления режимами испытаний. Кроме этого имеется широкий ряд современных аппаратных средств, предназначенных для регистрации разнообразных физических параметров. Ряд алгоритмов и методов нашли свое применение в исследовательском комплексе впервые. Получаемые данные всех измерительных систем сводятся в единую, синхронизированную по времени базу, удобную для дальнейшего математического и визуального анализа.

Экспериментальные исследования образцов с применением акустической регистрирующей аппаратуры ранее проводились на более низком как аппаратном, так и программном уровне. Отсутствовала возможность синхронизации данных различных регистрирующих систем с высокой точностью. В процессе проведения эксперимента и дальнейшей его обработки формируется большой объем данных в бинарном виде, в формате ASCII и в графическом виде. Эти данные легко поддаются анализу и дальнейшей обработке стандартными программами и процедурами. Данная разработка уже нашла свое применение в области изучения физики разрушения горных пород. Автор надеется, что проделанная им работа будет полезна и для более широкого круга специалистов — геофизиков и геологов, исследующих физические свойства горных пород в процессе их разрушения избыточными напряжениями.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Патонин, Андрей Викторович, 2012 год

1. Авагимов A.A., Зергарник В.А., Ключкин В.Н. О структуре акустической эмиссии модельных образцов при внешнем энерговоздействии. // Физика Земли. 2006. № 10. С. 36-42.

2. Богомолов J1.M., Сычев В.Н., Ильичев П.В. Феноменологическая модель потока возбужденных эмиссионных сигналов геосреды. // Физика Земли. 2006. № 9. С. 71-80.

3. Бронштейн И.Н., Семендяев К.А. Справочник по математике для инженеров и учащихся вузов. Москва.: Наука. 1981. 720 с.

4. Васин Р.Н., Никитин А.Н., Локаичек Т., Рудаев В. Акустическая эмиссия квазиизотропных образцов горных пород, инициированная температурными градиентами. // Физика Земли. 2006. № 10. С. 26-35.

5. Гантмахер Ф.Р. Теория матриц. Москва.: Наука. 1988. 542 с.

6. Гольдин C.B. Дилатансия, переупаковка и землетрясения. // Физика Земли. 2004. № Ю. С. 37-54.

7. Гудок Н.С., Богданович H.H., Мартынов В.Г. Определение физических свойств нефтеводосодержащих пород. Москва.: Недра. 2007. 592 с.

8. Закупин A.C., Авагимов A.A., Богомолов Л.М. Отклики акустической эмиссии геоматериалов на воздействие электроимпульсов при различных величинах сжимающего напряжения. // Физика Земли. 2006. № 10. С. 43-50.

9. Ю.Кузьмин Ю.О., Жуков B.C. Современная геодинамика и вариации физических свойств горных пород. Москва.: МГГУ. 2004. 264 с.

10. Культин Н. Основы программирования в Delphi 7. Санкт-Петербург.: БХВ-Петербург. 2005. 598 с.

11. Манжиков Б.С. Акусто-эмиссионные проявления пластичности горных пород. // Физика Земли. 2006. № 10. С. 19-25.

12. My дров А.Е. Численные методы для ПЭВМ на языках Бейсик, Фортран и Паскаль. Томск.: МП "Раско". 1991. 271 с.

13. Никитин А.Н., Иванкина Т.Н., Буриличев Д.Е., Клима К., Локаичек Т., Прос 3. Анизотропия и текстура оливиносодержащих мантийных пород при высоких давлениях. // Физика Земли. 2001. № 1. С. 64-78.

14. Патонин А.В. Обработка данных INOVA. ОФАП. Свидетельство об отраслевой регистрации разработки. № 3695 от 18 июня 2004 года.

15. Патонин А.В. Геофизический комплекс INOVA. ОФАП. Свидетельство об отраслевой регистрации разработки. № 3696 от 18 июня 2004 года.

16. Патонин А.В. Запись быстрых процессов. ОФАП. Свидетельство об отраслевой регистрации разработки. № 4778 от 17 мая 2005 года.

17. Патонин А.В. Геофизический комплекс INOVA: методика и техника лабораторного эксперимента. // Сейсмические приборы. 2006. Вып. 42. С. 314.

18. Салтыков В.А., Патонин А.В. Стадийность акустической эмиссии при лабораторном моделировании приливных эффектов в сейсмичности. // Доклады РАН Доклады Академии Наук. 2010. Том 430. № 5. С. 693-696.

19. Смирнов В.Б., Пономарев A.B., Завьялов А.Д. Структура акустического режима в образцах горных пород и сейсмический режим. // Физика Земли. 1995. № 1. С. 38-58.о

20. Смирнов В.Б., Пономарев A.B., Сергеева С.М. О подобии и обратной связи в экспериментах по разрушению горных пород. // Физика Земли. 2001. № 1. С. 89-96.

21. Смирнов В.Б., Пономарев A.B. Закономерности релаксации сейсмического режима по натурным и лабораторным данным. // Физика Земли. 2004. № 10. С. 26-36.

22. Смирнов В.Б., Пономарев A.B., Бернар П., Патонин A.B. Закономерности переходных режимов сейсмического процесса по данным лабораторного и натурного моделирования. // Физика Земли. 2010. № 2. С. 17-49.

23. Соболев Г.А., Пономарев A.B., Кольцов A.B. Возбуждение колебаний в модели сейсмического источника. // Физика Земли. 1995. № 12. С. 72-78.

24. Соболев Г.А., Пономарев A.B., Кольцов A.B., Салов Б.Г., Бабичев О.В., Терентьев В.А., Патонин A.B., Мострюков А.О. Возбуждение акустической эмиссии упругими импульсами. // Физика Земли. 2001. № 1. С. 79-84.

25. Соболев Г.А., Пономарев A.B., Майбук Ю.Я., Закржевская H.A., Понятовская В.И., Соболев Д.Г., Хромов A.A., Цывинская Ю.В. Динамика акустической эмиссии при инициировании водой. // Физика Земли. 2010. № 2. С. 50-67.

26. Стефанов Ю.П. Моделирование поведения консолидированных и высокопористых геологических сред в условиях сжатия. // Математическое моделирование систем и процессов. 2007. № 15. С. 156-169.

27. Томилин Н.Г., Куксенко B.C. Статистическая кинетика разрушения горных пород: энергетическая иерархия процесса. // Физика Земли. 2004. № 10. С. 16-25.

28. Фараонов В. Система программирования Delphi. Санкт-Петербург.: БХВ-Петербург. 2005. 896 с.

29. Филатов Г.А., Баев Е.Ф., Цымбалюк B.C. Малогабаритные низкочастотные фильтры. Москва.: Связь. 1974. 264 с.

30. Хардле В. Прикладная непараметрическая регрессия. Москва.: Мир. 1993. 349 с.

31. Baud P., Vajdova V., Wong Т. Shear-enhanced compaction and strain localization: Inelastic deformation and constitutive modeling of four porous sandstones. // Journal of Geophysical Research. 2006. V. 111. В12401. doi: 10.1029/2005JB004101.

32. Besuelle P., Desrues J., Raynaud S. Experimental characterization of the localization phenomenon inside a Vosges sandstone in a triaxial cell. // International Journal of Rock Mechanics & Mining Sciences. 2000. V. 37. PP. 1223-1237.

33. David N. Dewhurst, Anthony F. Siggins. Impact of fabric, microcracks and stress field on shale anisotropy. // Geophysical Journal International. 2006. V. 165. Issue 1. PP. 135-148.

34. Fortin J., Schubnel A., Gueguen Y. Elastic wave velocities and permeability evolution during compaction of Bleurswiller sandstone. // International Journal of Rock Mechanics & Mining Sciences. 2005. V. 42. PP. 873-889.

35. Fortin J., Stanchits S., Dresen G., Gueguen Y. Acoustic emission and velocities associated with the formation of compaction bands in sandstone. // Journal of Geophysical Research. 2006. V. 111. В10203. PP. 1-16.

36. Karner S., Chester F., Kronenberg A., Chester J. Subcritical compaction and yielding of granular quartz sand. // Tectonophysics. 2003. V. 377. PP. 357-381.

37. Lei X., Kusunose K., Satoh Т., Nishizawa O. The hierarchical rupture process of a fault: an experimental study. // Physics of the Earth and Planetary Interiors. 2003. V. 137. PP. 213-238.

38. Olsson W.A., Holcomb D.J., Rudnicki J.W. Compaction Localization in Porous Sandstone: Implications for Reservoir. // Oil & Gas Science and Technology. 2002. V. 57. № 5. PP. 591-599.

39. Patonin A.V. Anisotropy of the rock drill core elastic properties at uniaxial loading. // Russian Journal of Earth Sciences. 2003. Vol. 5. № 4. PP. 299-306.

40. Pettitt W.S., Young R. P., Keele University; Marsden, J. R. Investigating the Mechanics of Microcrack Damage Induced under True-Triaxial Unloading. // Society of Petroleum Engineers. 1998. SPE 47319-MS.

41. Plumb R.A. Influence of composition and texture on the failure properties of clastic rocks. // Society of Petroleum Engineers. 1994. SPE 28022-MS.

42. Rozanov A.O., Kuksenko V.S., Savel'ev V.N., Stanchits S.A. Elastic-energy spectra produced in a solid by a pulsed radiation pulse. // Physics of the Solid State. 1994. V. 36. Issue 11. PP. 1797-1802.

43. Sobolev G., Spetzler H., Koltsov A., Chelidze T. An experimental study of a triggered stick-slip. //PAGEOPH. 1993. V. 140. № 1. PP. 1-33.

44. Stanchits S., Lockner D., Ponomarev A. Anisotropic Changes in P-Wave Velocity and Attenuation during Deformation and Fluid Infiltration of Granite. // Bulletin of the Seismological Society of America. 2003. V. 93. № 4. PP. 18031822.

45. Stanchits S., Dresen G. Separation of Tesile and Shear Cracks Based on Acoustic Emission Analysis of Rock Fracture. // International Symposium (NDT-CE 2003). http://www.ndt.net/article/ndtce03/papers/v 107/v 107.htm .

46. Stanchits S., Vinciguerra S., Dresen G. Ultrasoni Velocities, Acoustic Emission Characteristics and Crack Damage of Basalt and Granite. // Pure and Applied Geophysics. 2006. V. 163. Issue 5-6. PP. 975-994.

47. Stanchits S., Lockner D., Zinke J. Shear Wave Splitting in Foliated Rock. // USGS. 2009. http://earthquake.usgs.gov/research/physics/lab/shearwave.php .

48. Zang A., Wagner C., Stanchits S., Janssen C., Dresen G. Fracture process zone in granite. // Journal of Geophysical Research. 2000. V. 105. B10. PP. 23,65123,661.