RU2359125C1 - Способ механических испытаний образцов горных пород на прочность и устройство для его осуществления - Google Patents
Способ механических испытаний образцов горных пород на прочность и устройство для его осуществления Download PDFInfo
- Publication number
- RU2359125C1 RU2359125C1 RU2007133739/28A RU2007133739A RU2359125C1 RU 2359125 C1 RU2359125 C1 RU 2359125C1 RU 2007133739/28 A RU2007133739/28 A RU 2007133739/28A RU 2007133739 A RU2007133739 A RU 2007133739A RU 2359125 C1 RU2359125 C1 RU 2359125C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- acoustic emission
- rock
- parameters
- correlation coefficient
- strength
- Prior art date
Links
- 239000011435 rock Substances 0.000 title claims abstract description 26
- 238000012360 testing method Methods 0.000 title claims abstract description 14
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims description 19
- 238000005259 measurement Methods 0.000 claims description 6
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 8
- 238000013399 early diagnosis Methods 0.000 abstract description 4
- 230000006835 compression Effects 0.000 abstract description 2
- 238000007906 compression Methods 0.000 abstract description 2
- 238000005065 mining Methods 0.000 abstract description 2
- 230000002452 interceptive effect Effects 0.000 abstract 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 230000003321 amplification Effects 0.000 description 2
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 description 2
- 239000000463 material Substances 0.000 description 2
- 238000003199 nucleic acid amplification method Methods 0.000 description 2
- 210000000056 organ Anatomy 0.000 description 2
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 2
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 2
- 238000009825 accumulation Methods 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 description 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 1
- 239000003245 coal Substances 0.000 description 1
- 230000006378 damage Effects 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 1
- 230000007774 longterm Effects 0.000 description 1
- 239000002344 surface layer Substances 0.000 description 1
- 238000004804 winding Methods 0.000 description 1
Images
Landscapes
- Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Ultrasonic Waves (AREA)
- Investigating Strength Of Materials By Application Of Mechanical Stress (AREA)
Abstract
Использование: для механических испытаний образцов горных пород на прочность. Сущность изобретения заключается в том, что осуществляют нагружение образцов и одновременное измерение параметров акустической эмиссии, при этом измерение параметров акустической эмиссии осуществляют по двум независимым измерительным каналам, каждый из которых регистрирует сигналы акустической эмиссии, поступающие из соответствующей ему и не перекрывающейся с другой области образца, вычисляют коэффициент корреляции между значениями параметров акустической эмиссии, зарегистрированной в первом и втором измерительных каналах в пределах одного и того же скользящего временного окна, определяют момент изменения знака коэффициента корреляции с положительного на отрицательный, а механическое напряжение в образце, соответствующее этому моменту, принимают за напряжение предразрушения горной породы. Технический результат: обеспечение возможности осуществления ранней диагностики предельного состояния горной породы, соответствующего потере прочности при сжатии. 2 н.п. ф-лы, 2 ил.
Description
Изобретение относится к горному делу и предназначено для определения напряжения предразрушения горной породы, то есть для ранней диагностики ее предельного состояния, соответствующего потере прочности при сжатии.
Известен способ механических испытаний образцов на прочность, заключающийся в том, что образец нагружают в испытательной установке и измеряют параметры акустической эмиссии, по которым судят о прочности, при этом на рабочую часть образца предварительно устанавливают шунты и перед акустоэмиссионными испытаниями нагружают образец с шунтами с усилием, превышающим усилие разрушения образца [1].
Недостатком известного способа является низкая надежность определения прочности, связанная с отсутствием однозначной связи между параметрами акустической эмиссии и прочностью.
Известно устройство для определения прочности горных пород, содержащее корпус, ударник, установленный в корпусе с возможностью возвратно-поступательного движения и снабженный пьезокерамическим элементом, генерирующим при ударах электрические импульсы, амплитуда которых пропорциональна реакции горной породы на удар, электромагнит с обмоткой, подключенной к батарее конденсаторов, временной интервал заряда и разряда которой задается подключенным к ней пультом управления [2].
Недостатком известного устройства, принятого авторами за аналог, является низкая достоверность определения прочностных параметров, обусловленная нестабильными контактными условиями взаимодействия ударника и исследуемой горной породы. Кроме того, известное устройство обеспечивает получение информации о прочности только приповерхностного слоя и не позволяет оценить прочность всего объема контролируемого образца.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является способ механических испытаний образцов горных пород на прочность, включающий нагружение образцов и одновременное измерение параметров акустической эмиссии [3], который принят авторами за прототип.
В указанном способе-прототипе нагружение образцов осуществляют ступенчато с фиксированным значением нагрузки, образцы выдерживают при каждом фиксированном значении нагрузки в течение времени спадания параметров акустической эмиссии до стабилизированного значения, выявляют первый локальный максимум параметров акустической эмиссии, по которому определяют предел длительной прочности материала, и выявляют скачкообразное увеличение стабилизированного значения акустической эмиссии, по которому определяют предел прочности материала при сжатии.
Недостатком известного способа является то, что он не позволяет определять напряжение предразрушения горной породы, то есть осуществлять раннюю диагностику ее предельного состояния, соответствующего потере прочности при сжатии.
Наиболее близким по технической сущности к устройству для осуществления предлагаемого способа является принятое авторами за прототип устройство для механических испытаний горных пород на прочность, содержащее идентичные измерительные каналы, состоящие из последовательно соединенных акустического преобразователя, предварительного усилителя, фильтра и основного усилителя, первый и второй блоки памяти, коммутатор и регистратор [4].
Недостатком известного устройства является то, что оно не позволяет определять напряжение предразрушения горной породы, то есть осуществлять раннюю диагностику ее предельного состояния, соответствующего потере прочности при сжатии.
В данной заявке решается задача создания надежного способа определения напряжения предразрушения горной породы и устройства для его осуществления.
Для решения поставленной задачи в способе механических испытаний образцов горных пород на прочность, включающем нагружение образцов и одновременное измерение параметров акустической эмиссии, это измерение осуществляют по двум независимым измерительным каналам, каждый из которых регистрирует сигналы акустической эмиссии, поступающие из соответствующей ему и не перекрывающейся с другой области образца, вычисляют коэффициент корреляции между значениями параметров акустической эмиссии, зарегистрированными в первом и втором измерительных каналах в пределах одного и того же скользящего временного окна, определяют момент изменения знака коэффициента корреляции с положительного на отрицательный, а напряжение, соответствующее этому моменту, принимают за напряжение предразрушения горной породы.
Для решения поставленной задачи устройство, содержащее идентичные измерительные каналы, состоящие из последовательно соединенных акустического преобразователя, предварительного усилителя, фильтра и основного усилителя, первый и второй блоки памяти, коммутатор и регистратор, дополнительно снабжено блоками измерения параметров акустической эмиссии, первый из которых включен между основным усилителем первого канала и первым блоком памяти, а второй - между основным усилителем второго измерительного канала и вторым блоком памяти, последовательно соединенными блоком вычисления коэффициента корреляции и нуль-органом, подключенным к управляющему входу коммутатора, задатчиком временных интервалов, связанным со вторыми входами блоков памяти, выходы которых подключены к соответствующим входам блока вычисления коэффициента корреляции, последовательно соединенными датчиком осевого давления и блоком измерения напряжений, связанным через сигнальный вход коммутатора с регистратором.
Способ механических испытаний образцов горных пород на прочность и устройство для его осуществления иллюстрируются фиг.1 и 2, где на фиг.1 представлена схема устройства, реализующего предлагаемый способ, а на фиг.2 - зависимости от времени t осевых напряжений σ, активности акустической эмиссии 
регистрируемой по первому и второму измерительным каналам, а также коэффициента корреляции r параметров акустической эмиссии, регистрируемых по первому и второму измерительным каналам, и знака этого коэффициента корреляции.
Схема, представленная на фиг.1, включает последовательно соединенные акустический преобразователь 1, предварительный усилитель 2, фильтр 3, основной усилитель 4, блок 5 измерения параметров акустической эмиссии и первый блок 6 памяти, которые образуют первый измерительный канал 7; последовательно соединенные акустический преобразователь 8, предварительный усилитель 9, фильтр 10, основной усилитель 11, блок 12 измерения параметров акустической эмиссии и второй блок 13 памяти, которые образуют второй измерительный канал 14; задатчик 15 интервала Т времени определения коэффициента корреляции, подключенный к входам первого блока 6 памяти и второго блока 13 памяти, выходы которых подключены к входам блока 16 вычисления коэффициента корреляции, связанного через нуль-орган 17 с управляющим входом коммутатора 18; датчик 19 осевого давления, который через блок 20 измерения напряжения подключен к сигнальному входу коммутатора 18 и через него - к регистратору 21. Акустические преобразователи 1, 8 размещены на образце 22 горной породы, который помещен между плитами 23, 24 нагружающего устройства. При этом зона 25 приема сигналов акустической эмиссии акустическим преобразователем 1 и зона 26 приема сигналов акустической эмиссии акустическим преобразователем 8 не перекрываются между собой.
Описанное устройство может быть реализовано как аппаратным, так и аппаратно-программным путем.
На фиг.2 представлены графики зависимостей от времени t: график 27 осевых напряжений σ с точкой 28 максимального значения осевых напряжений, которое представляет собой предел прочности σпч, и точкой 29, напряжение в которой представляет собой напряжение предразрушения σпр; графики 30 и 31 активности акустической эмиссии регистрируемой по первому (толстая линия) и второму (тонкая линия) измерительным каналам соответственно; график 32 изменения коэффициента корреляции r и график 33 изменения знака коэффициента корреляции sign(r). Кроме того, на фиг.2 отмечены текущий момент 34 времени ti с интервалом 35 времени T, за который вычисляется коэффициент корреляции, а также момент 36 времени t0 перехода знака коэффициента корреляции r от положительного к отрицательному значению, регистрируемый нуль-органом 17.
Предлагаемый способ базируется на известной двухстадийной модели разрушения твердых тел. Согласно этой модели при нагружении твердых тел в области допредельного деформирования накопление микротрещин происходит равномерно по всему объему. При этом отдельные части образца, представляя единое целое, деформируются схожим образом. Характер изменения параметров акустической эмиссии в различных частях образца совпадает, а коэффициент корреляции параметров акустической эмиссии, зарегистрированных по двум каналам, имеет положительное, достаточно высокое значение. По мере роста концентрации трещин после достижения определенного порога происходит их кластеризация. При этом образец разбивается на отдельные структурно не связанные между собой области, испытывающие различные уровни напряжений. Образование трещин в высоконапряженной области приводит к снижению в ней напряжений и перемещению этой высоконапряженной области по пространству образца. Область разрушения мигрирует по объему образца вместе с перемещением высоконапряженной области. В результате этих процессов увеличение акустической эмиссии в одной области будет сопровождаться уменьшением в другой, чему будет соответствовать отрицательный знак коэффициента корреляции параметров акустической эмиссии, регистрируемой в различных не перекрывающихся между собой пространственных зонах.
Способ механических испытаний образцов горных пород на прочность реализуется следующим образом.
Образец 22 горной породы помещают между плитами 23, 24 нагружающего устройства (условно не показано). Помещенный между плитой 23 и образцом 22 горной породы датчик 19 осевого давления на своем выходе формирует сигнал, который подают на блок 20 измерения напряжений.
В верхней части образца 22 горной породы размещают акустический преобразователь 1, а в нижней - аналогичный преобразователь 8. Затем производят увеличение нагрузки Р на плиты 23, 24, которые передают ее на образец 22 горной породы. При этом увеличивается осевое напряжение образца 22 горной породы, что отражается графиком 27 на фиг.2. Акустическим преобразователем 1 принимают сигналы акустической эмиссии из области 25, усиливают предварительным усилителем 2, фильтруют в заданной полосе частот фильтром 3, усиливают основным усилителем 4. При этом коэффициенты усиления усилителей 2, 4 и полосу пропускания фильтра 3 подбирают таким образом, что они обеспечивают прием сигналов акустической эмиссии только из ограниченной области 25. Подбор необходимых коэффициента усиления усилителей 2, 4 и полосы пропускания фильтра 3 осуществляют известными способами, например с использованием возбуждаемого в центре образца 22 заданного тестового сигнала. По полученным с выхода основного усилителя 4 электрическим сигналам с помощью блока 5 измерения параметров акустической эмиссии определяют конкретные значения этих параметров, например активности акустической эмиссии представляющей собой количество импульсов акустической эмиссии в единицу времени. Последовательность этих значений во времени образует график 30. Эти значения записываются в блок 6 памяти. Акустическим преобразователем 8 принимают сигналы акустической эмиссии из области 26, усиливают предварительным усилителем 9, фильтруют в заданной полосе частот фильтром 10, усиливают основным усилителем 11. При этом коэффициенты усиления усилителей 9, 11 и полосу пропускания фильтра 10, входящих во второй измерительный канал 14, подбирают так же, как было описано выше для первого измерительного канала 7. По полученным с выхода основного усилителя 11 электрическим сигналам с помощью блока 12 измерения параметров акустической эмиссии определяют конкретные значения этих параметров, например активности акустической эмиссии 
Последовательность этих значений во времени образует график 31. Эти значения записывают в блок 13 памяти. Задатчик 15 временных интервалов устанавливает интервал 35 времени T, за который производится вычисление коэффициента корреляции r. Этот интервал T отсчитывается от момента 34 ti времени последнего текущего измеренного значения параметра акустической эмиссии.
В тех случаях, когда измерения параметров акустической эмиссии производятся дискретно через определенный промежуток времени (на чертежах не показан), интервал времени Т определяет количество n пар отсчетов параметров акустической эмиссии (например, активности 
регистрируемой соответственно преобразователями 8 и 9. Эти n пар отсчетов берутся для вычисления коэффициента корреляции r, соответствующего текущему моменту 28 времени ti. Коэффициент корреляции r между одноименными параметрами акустической эмиссии, регистрируемой преобразователями 8 и 9, определяется по формуле
где n - количество отсчетов параметров акустической эмиссии за интервал времени T;
Таким образом, на выходе блока 16 измерения коэффициента корреляции получают последовательность значений этого коэффициента во времени, которая отражена на графике 32. Эти значения подают на нуль-орган 17, который на своем выходе в момент 36 t0 времени вырабатывает управляющий сигнал при переходе значений коэффициента r от положительных величин к отрицательным. Этот сигнал дает команду коммутатору 18 на пропуск сигнала с блока 20 измерения напряжений на блок регистрации. Таким образом, в блоке 21 регистрации будет записано искомое значение механического напряжения 29 предразрушения σпр.
Представленные на фиг.2 экспериментальные результаты были получены при реализации описанного выше способа механических испытаний на прочность образцов угля. При этом значение напряжения предразрушения σпр, как это следует из фиг.2, составило 60,9 МПа, а значение предела мгновенной прочности σпч - 62,7 МПа.
Таким образом, предложенный способ и устройство для его осуществления позволяют решить задачу определения напряжения предразрушения, не переводя образец в запредельную область деформирования, где он разрушается.
Источники информации
1. Авторское свидетельство СССР №879373, кл. G01N 3/00.
2. Патент Украины №7310, кл. G01N 3/02.
3. Авторское свидетельство СССР №1809053, кл. Е21С 39/00.
4. Патент Российской Федерации №2105301, кл. G01N 29/14.
Claims (2)
1. Способ механических испытаний образцов горных пород на прочность, включающий нагружение образцов и одновременное измерение параметров акустической эмиссии, отличающийся тем, что измерение параметров акустической эмиссии осуществляют по двум независимым измерительным каналам, каждый из которых регистрирует сигналы акустической эмиссии, поступающие из соответствующей ему и не перекрывающейся с другой области образца, вычисляют коэффициент корреляции между значениями параметров акустической эмиссии, зарегистрированной в первом и втором измерительных каналах в пределах одного и того же скользящего временного окна, определяют момент изменения знака коэффициента корреляции с положительного на отрицательный, а механическое напряжение в образце, соответствующее этому моменту, принимают за напряжение предразрушения горной породы.
2. Устройство для механических испытаний образцов горных пород на прочность, содержащее идентичные измерительные каналы, состоящие из последовательно соединенных акустического преобразователя, предварительного усилителя, фильтра и основного усилителя, первый и второй блоки памяти, коммутатор и регистратор, отличающееся тем, что оно снабжено блоками измерения параметров акустической эмиссии, первый из которых включен между основным усилителем первого канала и первым блоком памяти, а второй - между основным усилителем второго измерительного канала и вторым блоком памяти, последовательно соединенными блоком вычисления коэффициента корреляции и нуль-органом, подключенным к управляющему входу коммутатора, задатчиком временных интервалов, связанным со вторыми входами блоков памяти, выходы которых подключены к соответствующим входам блока вычисления коэффициента корреляции, последовательно соединенными датчиком осевого давления и блоком измерения напряжений, связанным через сигнальный вход коммутатора с регистратором.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2007133739/28A RU2359125C1 (ru) | 2007-09-10 | 2007-09-10 | Способ механических испытаний образцов горных пород на прочность и устройство для его осуществления |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2007133739/28A RU2359125C1 (ru) | 2007-09-10 | 2007-09-10 | Способ механических испытаний образцов горных пород на прочность и устройство для его осуществления |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2007133739A RU2007133739A (ru) | 2009-03-20 |
| RU2359125C1 true RU2359125C1 (ru) | 2009-06-20 |
Family
ID=40544777
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2007133739/28A RU2359125C1 (ru) | 2007-09-10 | 2007-09-10 | Способ механических испытаний образцов горных пород на прочность и устройство для его осуществления |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2359125C1 (ru) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2550314C2 (ru) * | 2010-04-06 | 2015-05-10 | Варель Ероп С.А.С. | Тестирование жесткости на основе акустической эмиссии для pdc, pcbn или других твердых или сверхтвердых материалов |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN111965032A (zh) * | 2020-06-04 | 2020-11-20 | 江西理工大学 | 不同配比钽铌矿废弃尾砂胶结材料的力学损伤分析方法 |
| CN112444449B (zh) * | 2020-11-17 | 2021-09-24 | 大连理工大学 | 一种基于微观破坏类型分析的精确求解岩石抗拉强度的方法 |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU991048A1 (ru) * | 1981-07-27 | 1983-01-23 | Донецкий Ордена Трудового Красного Знамени Политехнический Институт | Способ определени прочности горной породы |
| US5025669A (en) * | 1989-06-28 | 1991-06-25 | Institut Francais Du Petrole | Device for carrying out stress tests on rock sample and other materials |
| WO1997021116A1 (en) * | 1995-12-07 | 1997-06-12 | Shell Internationale Research Maatschappij B.V. | Use of acoustic emission in rock formation analysis |
| RU2105301C1 (ru) * | 1995-07-06 | 1998-02-20 | Александр Филиппович Паньков | Многоканальное акустико-эмиссионное устройство для контроля изделий |
| RU2204121C2 (ru) * | 2000-02-21 | 2003-05-10 | Всероссийский научно-исследовательский институт методики и техники разведки | Способ определения прочности горных пород и устройство для его реализации |
-
2007
- 2007-09-10 RU RU2007133739/28A patent/RU2359125C1/ru not_active IP Right Cessation
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU991048A1 (ru) * | 1981-07-27 | 1983-01-23 | Донецкий Ордена Трудового Красного Знамени Политехнический Институт | Способ определени прочности горной породы |
| US5025669A (en) * | 1989-06-28 | 1991-06-25 | Institut Francais Du Petrole | Device for carrying out stress tests on rock sample and other materials |
| RU2105301C1 (ru) * | 1995-07-06 | 1998-02-20 | Александр Филиппович Паньков | Многоканальное акустико-эмиссионное устройство для контроля изделий |
| WO1997021116A1 (en) * | 1995-12-07 | 1997-06-12 | Shell Internationale Research Maatschappij B.V. | Use of acoustic emission in rock formation analysis |
| RU2204121C2 (ru) * | 2000-02-21 | 2003-05-10 | Всероссийский научно-исследовательский институт методики и техники разведки | Способ определения прочности горных пород и устройство для его реализации |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2550314C2 (ru) * | 2010-04-06 | 2015-05-10 | Варель Ероп С.А.С. | Тестирование жесткости на основе акустической эмиссии для pdc, pcbn или других твердых или сверхтвердых материалов |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2007133739A (ru) | 2009-03-20 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Lavrov | Kaiser effect observation in brittle rock cyclically loaded with different loading rates | |
| CN103994928B (zh) | 一种岩石定向挤压断裂过程的力学声学联合测试方法 | |
| Asem et al. | On tensile fracture of a brittle rock | |
| RU2359125C1 (ru) | Способ механических испытаний образцов горных пород на прочность и устройство для его осуществления | |
| Vinogradov et al. | Spectral analysis of acoustic emission during cyclic deformation of copper single crystals | |
| Mori et al. | Acoustic and electromagnetic emission from crack created in rock sample under deformation | |
| CN114062109A (zh) | 一种岩石破坏声发射次主频识别提取方法 | |
| CN104483389B (zh) | 基于组合震源法检测桥梁预应力管道注浆质量的方法 | |
| CN101936863A (zh) | 利用粮堆中机械波传播过程检测粮堆密度的装置及方法 | |
| Patonin et al. | A laboratory instrumental complex for studying the physics of the destruction of rocks | |
| Fernandes et al. | Monitoring the oedometric compression of sands with acoustic emissions | |
| RU2485314C1 (ru) | Способ определения изменения напряженного состояния горного массива | |
| Shirole et al. | A non-linear ultrasonic method for damage characterization in a shaly sandstone | |
| SU1053033A1 (ru) | Способ определени напр женного состо ни горных пород | |
| Piriyakul | A development of a bender element apparatus | |
| RU2354932C2 (ru) | Резонансный способ ультразвуковой толщинометрии | |
| RU2004126425A (ru) | Способ определения степени детонации с использованием сейсмической энергии | |
| RU2361188C1 (ru) | Способ определения коэффициента пуассона материала | |
| SU1357570A1 (ru) | Способ определени напр женного состо ни массива горных пород | |
| Dann et al. | Changes in the parameters of the electromagnetic response of model dielectric samples with air cavity defects under external deterministic acoustic impact | |
| SU1323711A1 (ru) | Способ определени напр женного состо ни массива горных пород | |
| US20250377340A1 (en) | Acoustic emission based structural health and damage detection and monitoring systems and methods | |
| RU2300761C2 (ru) | Многоканальное акустико-эмиссионное устройство для контроля изделий | |
| Zdunek et al. | Acoustic emission as a method for the detection of fractures in the plant tissue caused by the external forces | |
| SU1377389A1 (ru) | Способ оценки напр женного состо ни массива горных пород |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20140911 |