Обоснование и разработка метода определения параметров зернистой структуры и пористости горных пород на основе принципов ультразвуковой спектроскопии

• Автор: Белов, Михаил Алексеевич
• Шифр специальности: 25.00.20
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2005
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 150 с. : ил.

Глава 1. Современное состояние проблемы диагностики

параметров зернистой структуры и пористости геоматериалов.

1.1 Минеральное зерно и поры как элементы структуры горных

пород.
1.2 Влияние зернистой структуры и пористости горных пород на их 14 физико-механические свойства.
1.3. Современные методы и средства оценки параметров зернистой 19 структуры и пористости геоматериалов.

1.3.1 Традиционные методы оценки зернистой структуры и 19 пористости горных пород.

1.3.2 Использование акустической спектроскопии для оценки 26 параметров структурных неоднородностей горных пород.
1.3.3 Характеристика проблемы возбуждения и приема 30 широкополосных ультразвуковых импульсов.
1.4 Современное состояние лазерного оптико-акустического метода 32 структуроскопии материалов

1.5 Выводы и постановка задачи исследования

Глава 2. Теоретическое обоснование возможности
использования лазерной ультразвуковой спектроскопии для оценки параметров зернистой структуры и пористости горных пород
2.1 Оценка параметров упругих импульсов, возбуждаемых в 40 геоматериалах лазерным источником ультразвука
2.2 Алгоритм расчета коэффициента поглощения оптического 49 излучения в геоматериалах по параметрам возбуждаемых в них оптико-акустических импульсов
2.3 Анализ теоретических моделей, связывающих параметры 52 распространения упругих волн в геоматериалах с характерными размерами неоднородностей

2.4 Анализ моделей распространения упругих волн в пористых 58 геоматериалах
2.5 Выводы
Глава 3. Разработка аппаратурного и методического
обеспечения лазерных ультразвуковых измерений в геоматериалах
3.1 Назначение, состав и принцип работы системы лазерной 71 ультразвуковой структуроскопии геоматериалов
3.2 Обоснование характеристик узлов и элементов системы
3.3 Обоснование конструкции широкополосных акустических 79 приемников
3.4 Методика оптико-акустических измерений и алгоритм 94 обработки их результатов
3.5 Выводы
Глава 4. Экспериментальная проверка лазерного оптико
акустического метода структуроскопии геоматериалов
4.1 Количественная оценка размеров минеральных зерен в горных 103 породах
4.2 Диагностика пористости горных пород на основе оптико- 116 акустических измерений мощности структурного шума
4.3 Измерение скоростей упругих волн в образцах геоматериалов 123 малых размеров
4.4 Методика оптико-акустических измерений параметров 129 зернистой структуры и пористости горных пород
4.5 Выводы
Заключение
Список литературы

Наличие надежной и оперативной информации о структуре
геоматериалов на различных масштабных уровнях является необходимым условием эффективного и безопасного ведения всего комплекса
горностроительных и эксплуатационных работ на горных предприятиях. Неслучайно задача получения указанной информации рассматривается как одна из приоритетных в геоконтроле. Для решения этой задачи широко применяются методы горной геофизики, которые в последние годы играют все более заметную роль в системе геоинформационного обеспечения.
При проведении исследований на образцах, блоках и относительно небольших участках массива среди геофизических методов наиболее эффективны так называемые ультразвуковые методы. Они основаны на анализе характеристик ультразвуковых сигналов при их распространении в среде. Сегодня эти методы используются для решения чрезвычайно
широкого круга задач геоконтроля, связанных с оценкой практически всего спектра физико-механических свойств горных пород, их нарушенности, напряженно-деформированного состояния, процессов разрушения, упрочнения и других. Особое значение имеет практика исследования с помощью ультразвука тонкой структуры геоматериалов, в частности,
концентрации и размеров содержащихся в них неоднородностей (например, зерен и пор).
Горные породы представляют собой акустически сложные материалы с различными масштабами структурных неоднородностей. Поэтому для исследования структуры геоматериалов необходимо осуществлять анализ затухания ультразвука в широкой полосе частот, так как неоднородности хорошо рассеивают звук на длинах волн, сопоставимых с их размерами. Более того, существенное затухание звука в горных породах делает проблематичным их исследование с помощью пьезоэлектрических преобразователей из-за низкой эффективности возбуждения последними
возбуждаемого импульса не представляется возможным. Таким образом, необходимым условием проведения оптико-акустической спектроскопии геоматериалов при генерации зондирующих импульсов в исследуемой породе является информация о коэффициенте поглощения оптического излучения в этой породе на длине волны лазерного источника.
В принципе, его можно рассчитать из экспоненциальной зависимости, описывающей временную форму возбуждаемого в генераторной среде ультразвукового сигнала при использовании коротких лазерных импульсов [78]:
р{т = t-zl с,) = р0ех^{рс,т), г>0 (2.5)
Здесь t - время, г - координата, вдоль которой распространяется волна, с/ - скорость распространения продольных волн, г - время в бегущей системе координат, р0 - амплитуда давления. Однако, проходя через образец, ультразвуковой импульс испытывает рассеяние на неоднородностях и дифрагирует. Передний фронт волны соответственно искажается и экспериментально полученная форма акустического сигнала не несет нужной информации о коэффициенте затухания. Для восстановления его значения из экспериментальных данных предлагается следующий алгоритм.
Первоначально ультразвуковые импульсы возбуждаются в сильно поглощающей свет стандартной генераторной среде, для которой в широком диапазоне частот известен коэффициент затухания ультразвука. Данные сигналы принимаются пьезоприемником и являются опорными. Используя быстрое фурье-преобразование, можно найти спектр 5’0(гл) опорных импульсов. Затем между генератором и пьезоприемником помещается исследуемый образец, и на пьезоприемник поступает сигнал, рассеянный на неоднородностях образца. Зная спектр Фурье 8р(со)
сигнала, прошедшего через образец, и спектр опорного сигнала 50(со), можно найти частотнозависимый коэффициент затухания звука /3{со):