Разработка метода оценки микротрещиноватости горных пород с использованием мощных лазерных ультразвуковых источников

• Автор: Иньков, Виктор Николаевич
• Шифр специальности: 25.00.16
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2006
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 133 с. : ил.

Глава 1. Анализ современного состояния методов определения трещиноватости горных пород
§1.1. Трещины в горных породах, их характеристики и классификация
§1.2. Методы выявления и оценки трещиноватости горных пород
§ 1.3. Акустические методы исследования микротрещиноватости горных пород
1.3.1. Акустические методы исследования трещиноватости горных пород
1.3.2. Проблемы создания мощных широкополосных источников ультразвука
§ 1.4. Современное состояние лазерных ультразвуковых методов диагностики горных пород
§1.5. Выводы и постановка задач исследований
Глава 2. Термооптические источники ультразвука для диагностики геоматериалов на основе эффекта тепловой нелинейности
§2.1. Теория лазерного возбуждения упругих волн в геоматериалах
§2.2. Влияние эффекта тепловой нелинейности на параметры акустических импульсов, возбуждаемых лазерным излучением
§2.3. Лазерно-ультразвуковая установка ГЕОСКАН-02М
§2.4. Экспериментальное исследование эффекта тепловой нелинейности
§2.5. Термооптические источники сдвиговых волн для задач диагностики геоматериалов

§2.6. Выводы
Глава 3. Исследование микротрещиноватости геоматериалов с помощью нелинейных эффектов трансформации формы мощных ультразвуковых импульсов
§3.1. Теоретические модели нелинейных эффектов, возникающих при
взаимодействии упругих волн с геосредой
§3.2. Исследование нелинейной трансформации ультразвуковых импульсов при распространении в геоматериалах
§3.3. Исследование нелинейной трансформации ультразвуковых импульсов при распространении в углях
§3.4. Выводы
Глава 4. Исследование микротрещиноватости геоматериалов на основе лазерной ультразвуковой эхоскопии
§4.1. Аппаратура и ее принцип работы для реализации режима эхоскопии геоматериалов
§4.2. Эксперименты по эхоскопии образцов вулканической породы
§4.3. Локализация сети микротрещин в образце горной породы
§4.4. Выводы
Заключение
Список литературы

Трещиноватость горных пород оказывает существенное, а в ряде случаев и определяющее влияние практически на все свойства горных пород и их напряженно-деформированное состояние. Неслучайно, оценка параметров трещиноватости рассматривается в качестве одной из приоритетной задач геоконтроля. Для решения этой задачи в настоящее время привлекается широкий спектр геофизических методов, среди которых наиболее перспективными считаются акустические методы, основанные на анализе изменения кинематических и динамических характеристик упругих волн при распространении их в трещиноватой геосреде. Для эффективного исследования акустическими методами микротрещиноватости необходимо использование высокочастотной области ультразвукового диапазона частот, в которой длина волны зондирующих сигналов становится соизмеримой с характерными размерами микротрещин. Однако для указанного диапазона характерно очень высокое затухание упругих волн, которое объективно ограничивает возможности ультразвуковых методов геоконтроля при изучении микротрещиноватости с использованием традиционных источников ультразвука на основе пьезоэлектрических преобразователей. В связи с этим актуальной является задача обоснования и разработки такого ультразвукового метода изучения микротрещиноватости, который был бы основан на возбуждении в геосреде высокочастотных ультразвуковых сигналов высокой мощности, базирующемся на использовании лазерных термооптических источников ультразвука.
Исследования, результаты которых представлены в настоящей диссертационной работе, осуществлялись при финансовой поддержке Совета по грантам Президента РФ для поддержки ведущих научных школ (НШ - 1467.2003.5). Они были проведены в рамках темы "Теоретическое и экспериментальное обоснование изучения структуры, свойств и состояния горных пород на основе принци
Глава 2. Термооптические источники ультразвука

§2.2. Влияние эффекта тепловой нелинейности на
параметры акустических импульсов, возбуждаемых лазерным излучением
Возможности применения акустических методов исследования геоматериалов ограничены наличием в них сильного затухания и рассеяния упругих волн, вызванное крайне неоднородной структурой и ее дефектами (поры, уплотнения, трещины, и др.). В связи с этим возникает необходимость в мощных широкополосных ультразвуковых источниках.
Повышение амплитуды возбуждаемых лазерным излучением акустических импульсов без повреждения контролируемого объекта возможно за счет использования находящейся на его поверхности промежуточной жидкой поглощающей среды с максимальным значением соответствующих теплофизических параметров (рис. 2.1) . Такая среда, поглощая лазерное излучение, испытывает тепловое расширение, являясь, таким образом, генератором упругих волн. При этом нагрев среды может составлять десятки градусов, и на процесс генерации ультразвука начинает оказывать влияние зависимость коэффициента объемного расширения от температуры. В работе [76], выполненной для одномерной модели, учет данной зависимости может приводить к увеличению амплитуды сигнала почти на порядок. Этот эффект получил название тепловой нелинейности [76, 71].
В данном параграфе предложена трехмерная теоретическая модель лазерноультразвуковых источников мощных широкополосных импульсов упругих волн, основанных на использовании эффекта тепловой нелинейности [77].
Теоретическая модель
Рассмотрим следующую модель (рис. 2.2): на плоскую поверхность жидкой поглощающей среды (г > 0) падает из воздуха гауссов световой пучок, в котором интенсивность меняется по закону I — 1оЬ^)<р(х, у), где /о - амплитуда