научная статья по теме ВЫЯВЛЕНИЕ ПРОСТРАНСТВЕННОЙ ОБЛАСТИ БУДУЩЕГО ОЧАГА РАЗРУШЕНИЯ НА ОСНОВЕ АНАЛИЗА ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ РАСПРЕДЕЛЕНИЙ СИГНАЛОВ АКУСТИЧЕСКОЙ ЭМИССИИ Геофизика

Текст научной статьи на тему «ВЫЯВЛЕНИЕ ПРОСТРАНСТВЕННОЙ ОБЛАСТИ БУДУЩЕГО ОЧАГА РАЗРУШЕНИЯ НА ОСНОВЕ АНАЛИЗА ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ РАСПРЕДЕЛЕНИЙ СИГНАЛОВ АКУСТИЧЕСКОЙ ЭМИССИИ»

ФИЗИКА ЗЕМЛИ, 2015, № 3, с. 78-84

УДК 539.42

ВЫЯВЛЕНИЕ ПРОСТРАНСТВЕННОЙ ОБЛАСТИ БУДУЩЕГО ОЧАГА РАЗРУШЕНИЯ НА ОСНОВЕ АНАЛИЗА ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ РАСПРЕДЕЛЕНИЙ СИГНАЛОВ АКУСТИЧЕСКОЙ ЭМИССИИ

© 2015 г. Е. Е. Дамаскинская, А. Г. Кадомцев

Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе РАН, г. Санкт-Петербург E-mail: Kat.Dama@mail.iojfe.ru

Проведен анализ распределений по энергии сигналов акустической эмиссии (АЭ) на двух масштабах: при деформировании гранитных образцов и при измерениях, проводимых на действующем горном предприятии. Обнаружено, что в случае локализованного разрушения вид распределения, как и принято считать, — степенной, а при дисперсном разрушении распределение сигналов АЭ по энергии имеет экспоненциальный вид. На ранних этапах деформирования обнаружен эффект суперпозиции функций распределения, указывающий на то, что в различных областях образца процесс дефектообразования развивается различным образом. Полученные результаты позволяют на весьма ранних стадиях деформирования как образцов, так и природных массивов выделять пространственные области, где со временем разовьется опасная макротрещина, что дает предпосылки к долгосрочному прогнозу.

DOI: 10.7868/S0002333715030023

ВВЕДЕНИЕ

В сейсмологии общепринято, что распределение числа землетрясений по магнитуде (энергии) для любого заданного региона и промежутка времени описывается степенной функцией [Gutenberg, 1954; Ponomarev, 1997; Schorlemmer, 2004; Соболев, 2009; Kei Katsumata, 2006] — закон Гутенберга-Рихтера. Распределения числа событий по энергии анализировались не только на больших масштабах разрушения — землетрясения, горные удары, но и в лабораторных экспериментах по деформированию образцов горных пород [Виноградов, 1959; Mogi, 1962; Ponomarev, 1997]. В этих работах основное внимание уделялось анализу изменения угла наклона графика повторяемости (¿-value).

В ряде работ [Завьялов, 2006; Соболев, 2009] показано, что перед крупным событием (т.е. событием, сопровождающимся АЭ-сигналом с большой энергией) угол наклона графика повторяемости изменяется характерным образом.

Однако при анализе экспериментов по деформированию образцов горных пород мы столкнулись с тем, что распределение сигналов акустической эмиссии по энергии не всегда удается аппроксимировать степенной функцией. В связи с этим были поставлены задачи:

1. Выяснить условия, при которых распределение по энергии аппроксимируется степенной функцией.

2. Выяснить, существуют ли ситуации, при которых распределение имеет функциональный вид, отличный от степенного.

3. Установить связь между функциональным видом распределения и особенностями процесса накопления дефектов.

МАТЕРИАЛ И МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА

Проведен анализ лабораторных экспериментов и данных мониторинга акустической эмиссии на одном из действующих горных предприятий Дальнего Востока.

В экспериментах на установке, позволяющей управлять деформацией и давлением подводимой к образцу воды ( подробнее описано в [Ьоскпег, 1992; 81апсЫ&, 2003] ), испытывались цилиндрические образцы гранита Вестерли (Н = 190.5 мм, d = 76.2 мм). Образцы деформировали в условиях постоянного всестороннего сжатия и одноосного осевого нагру-жения. Наблюдение за трещинообразованием проводилось с помощью регистрации сигналов акустической эмиссии (АЭ). Известно, что основным источником АЭ в горных породах являются образующиеся трещины [Мячкин, 1974], и существует связь между параметрами трещин и АЭ-сиг-налов [Куксенко, 1982]. Точность определения координат гипоцентров источников АЭ составила ±4 мм во всем объеме образца, для более, чем 104 сигналов. В результате проведенного эксперимента формировалась база данных, которая представляет собой набор параметров хронологически последовательных сигналов АЭ. Каждый сигнал характеризовался временем излучения, тремя координатами гипоцентра и амплитудой, приведенной к определенной референс-сфере. Важно отметить, что приве-

ВЫЯВЛЕНИЕ ПРОСТРАНСТВЕННОЙ ОБЛАСТИ БУДУЩЕГО ОЧАГА

79

(а)

(б)

§ й

4 -

3 -

§ й

N 1 -

0

1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 0 1п(Е)

10

20 Е, Дж

30

40

Рис. 1. Распределение по энергии АЭ-сигналов, зарегистрированных в 4 месяце наблюдений на контролируемом целике действующего горного предприятия.

денная амплитуда не зависит от геометрии расположения пьезопреобразователей и может служить энергетической характеристикой источника сигнала.

Аналогичная база данных получена в результате измерений, проводимых Институтом горного дела ДВО РАН г. Хабаровска на глубоких горизонтах месторождения "Антей". Было зарегистрировано около 7000 событий в энергетическом диапазоне от единиц Дж до тысяч Дж за период наблюдений 13 месяцев — с января 2010 по январь 2011.

РАЗРУШЕНИЕ ПРИРОДНОГО МАССИВА (ДЕЙСТВУЮЩЕЕ ГОРНОЕ ПРЕДПРИЯТИЕ)

Распределения АЭ-сигналов по энергии строились не для всей совокупности данных, а за последовательные промежутки времени (по месяцам). Для удобства анализа и наглядности распределения строились в двойных логарифмических координатах и в полулогарифмических координатах. Пример такого распределения для 4-го месяца наблюдений показан на рис. 1. Видно, что в двойных логарифмических координатах данные не удается аппроксимировать линейной функцией. Напротив, в полулогарифмических координатах данные аппроксимируются линейной функцией. Это означает, что распределение — экспоненциальное. Было обнаружено, что в течение первых шести месяцев наблюдения распределения АЭ-сигналов по энергии имеют экспоненциальный вид.

Для 7 и 8 месяцев энергетические распределения не удается однозначно аппроксимировать ни степенной, ни экспоненциальной функцией. (Более подробно это наблюдение будет обсуждено при

анализе лабораторных экспериментов, приведенных ниже в данной статье.)

На рис. 2. показано распределение, полученное в 10 месяце. Аналогичный вид имеют энергетические распределения, полученные в 9—13 месяцах наблюдения. Видно, что функциональный вид распределения изменился. Данные хорошо аппроксимируются линейной функцией в двойных логарифмических координатах, т.е. распределение является степенным.

Таким образом, мы обнаружили, что в ряде случаев существует отклонение от закона Гутенберга—Рихтера — распределение по энергии не всегда степенное.

С чем может быть связан различный функциональный вид энергетического распределения? Сопоставим энергетические распределения с пространственным распределением этих же дефектов. Пространственные распределения дефектов, так же как и энергетические распределения АЭ-сигна-лов, строились по месяцам.

Оказалось, что в начальный период наблюдений дефекты образуются хаотично (рис. 3а). Энергетическое распределение АЭ-сигналов, соответствующих этим дефектам, имеет экспоненциальный вид. В то время как, начиная с 9 месяца, в пространственном распределении дефектов отчетливо видна локализация (рис. 3б), и соответствующие энергетические распределения аппроксимируются степенной функцией.

Таким образом, при анализе крупномасштабного разрушения природного массива обнаружено, что различному характеру накопления дефектов соответствует различный функциональный вид энергетического распределения АЭ-сигналов.

5

4

3

2

2

1

(а)

£

3 -

£

2 -

120

160

01-1-1-•>—#-

1 2 3 4 5 0 40 80

1п(Е) Е, Дж

Рис. 2. Распределение по энергии АЭ-сигналов, зарегистрированных в 10 месяце наблюдений на контролируемом целике действующего горного предприятия.

(а)

120 г

100 -

N"

120

(б)

100

80 -

60 77080

80

♦ Ч *

и ♦ ♦ *

\ \ 'X

♦ г .. ♦

77120

77160 X, м

77200

77240

60 77080

'«**.♦ . /тс : ♦ :

77120

77160

X, м

77200

77240

Рис. 3. Пространственный анализ накопления дефектов в контролируемом целике. Проекции координат гипоцентров источников АЭ : (а) — дисперсное разрушение (4 месяц); (б) — локализованное разрушение (10 месяц).

4

4

3

2

1

1

ЛАБОРАТОРНЫЕ ЭКСПЕРИМЕНТЫ ПО ДЕФОРМИРОВАНИЮ ОБРАЗЦОВ ГОРНЫХ ПОРОД

Подробный пространственно-временной анализ развития разрушения в экспериментах был выполнен ранее в [Кадомцев, 2011]. В данной работе проведен детальный анализ распределений АЭ-сигналов, зарегистрированных на разных этапах деформирования. Был проведен анализ серии экспериментов. Покажем общие (характерные) результаты на примере одного из них.

На рис. 4а показано пространственное распределение дефектов в образце на ранней стадии деформирования (0.5—0.6 времени до разрушения образца). Дефекты образуются хаотично во всем объеме образца. Однако распределение АЭ-сигна-лов по энергии не удается однозначно аппроксимировать ни степенной, ни экспоненциальной функцией. Это наглядно иллюстрируют рис. 4б, 4в, на которых данное распределение построено в по-

лулогарифмических и в двойных логарифмических координатах. Это означает, что имеет место наложение функций. Мы предположили, что такая картина возможна, если в различных пространственных частях образца характер дефектообразования различный. (Подобный результат обнаружен и при анализе данных, полученных на руднике.)

Было проведено пространственное сканирование образца: выделялся некий пространственный объем, и строилось распределение для сигналов только из этого объема, затем происходило смещение этого объема, и процедура повторялась. В результате оказалось, что в образце хорошо выделяются области, в которых распределение аппроксимируется экспоненциальной функцией (рис. 5а, области А, С на рис. 4а), и области, в которых распределение аппроксимируется степенной функцией (рис. 5б, область В на рис. 4а). (Отметим, что никакая амплитудная селекция сигналов не позволяет

(а)

160 120

2

^ 80

40

0

Область А

Область В

Область С

§ Й

§ с

(в)

0 20 40 60 0 10 20 30 40 50 60 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0

Х, мм Е, усл. ед. 1п(Е)

Рис. 4. Пространственный и энергетический анализ разрушения гранитных образцов. Проекции координат гипоцентров источников АЭ : (а) — начальная стадия нагружения (АЭ-сигналы, зарегистрированные в период времени от начала нагружения до 0.6 долговечности образца); (б), (в) — распределения числа N сигналов акустической эмиссии по энергии Е.

8 -

6 -

(а)

Области А, С экспониальная функция

£

4 -

10 г

(б)

Область В

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком

Пoхожие научные работыпо теме «Геофизика»