V Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2013

В Томском политехническом университете (ТПУ) ведется разработка метода мониторинга изменения напряженно-деформированного состояния массивов горных пород и прогноза геодинамических явлений. В основе разрабатываемого метода лежат фундаментальные исследования механоэлектрических преобразований в диэлектрических материалах, включая горные породы. Эти исследования начаты в ТПУ в начале 70-х годов под руководством чл.-корр. АПН А.А. Воробьева. Следствием механоэлектрических преобразований являются электромагнитные сигналы, генерируемые исследуемыми материалами, при механическом, акустическом, термическом, радиационным и другими видами воздействия. Причиной появления электромагнитных сигналов (ЭМС) является изменяющийся или появляющийся заряд.

Установлено, что параметры электромагнитных сигналов, генерируемых горной породой, зависят от физических свойств горных пород, их генетического типа и структурно-текстурных особенностей.

Целью исследования являлось изменения параметров электромагнитного сигнала при акустическом воздействии на образцы горных пород.

Объектом исследования являлись образцы, представленные вмещающей горной породой Таштагольского железорудного месторождения. При пьезоакустическом воздействии на образцы горных пород использовалась экспериментальная установка, блок-схема которой представлена на рисунке 1.

Рисунок 1 Блок-схема экспериментальной установки для регистрации ЭМС при пьезоакустическом возбуждении.

На рисунке 1 показано: 1 – генератор высоковольтных импульсов для возбуждения пьезоакустического излучателя. Длительность вырабатываемых импульсов: 10^-6 -10^-4 с. Амплитуда импульсов: 100800В; 2 – ПАИ – пьезоакустический излучатель; 3 – ПАП – пьезоакустический приемник; 4 – цифровой двухканальный осциллограф Tektronix TDS2024В с возможностью запоминания сигналов и передачи их на компьютер. Полоса пропускания прибора равна 60 МГц, чувствительность 2 мВ/дел; 5 – ПК – персональный компьютер; 6 – ЭМД – электромагнитный дифференциальный датчик, со встроенным усилителем мощности для согласования входного сопротивления емкостного датчика и принимающего сигнал электронного усилителя с коэффициентом усиления 100; 7 – источник питания электронной схемы ЭМД.

Для возбуждения ЭМС к образцу через акустический контакт (минеральное масло) с помощью пьезоизлучателя (2) вводился акустический сигнал, распространяющийся по образцу с продольной скоростью звука. Акустический сигнал, проходя через образец, возбуждал ЭМС и регистрировался с помощью пьезоакустического приемника (3) на экране осциллографа (4). Для приема ЭМС служит емкостной датчик (6), который принимал электрическую составляющую ЭМС. Датчик имеет согласованный дифференциальный вход. Усиленный ЭМС с датчика (6) поступал на другой вход осциллографа Tektronix TDS2024В (4). С осциллографа (4) ЭМС через интерфейс записывался в память компьютера (5), где затем производилась его дальнейшая обработка. Анализ ЭМС производился с помощью графической программы Origin7. В результате пьезоакустического возбуждения образца были зарегистрированы электромагнитные сигналы.

С помощью процедуры быстрого преобразования Фурье были построены амплитудно-частотные спектры электромагнитных сигналов. По полученным данным проведён анализ.

 

На первом этапе проводилось пьезоакустическое воздействие на образцы вмещающей горной породы.

В качестве примера на рисунке 2 (а, б) представлен аналоговый электромагнитный сигнал (ЭМС) и его амплитудно-частотный спектр (АЧС) при прозвучивании образца № 0 вмещающей горной породы. Длительность пьезоакустического возбуждения изменялась 1100 мкс при напряжении возбуждения пьезопреобразователя 800 В.

Рисунок 2 Аналоговый электромагнитный сигнал (а), и его амплитудно-частотный спектр (б) образца вмещающей горный породы № 0 при пьезоакустическом возбуждении длительностью 5 мкс.

По результатам проведенных исследований были построены зависимости изменения амплитуды гармоник электромагнитного сигнала при соответствующей длительности акустического импульса возбуждения. Длительность пьезоакустического возбуждения изменялась от 5100 мкс при напряжении возбуждения пьезопреобразователя 800В.

Рисунок 3 Зависимость изменения амплитуды гармоник сигнала при длительности акустического импульса возбуждения (5мкс) для образцов вмещающей горной породы №№ 0, 3, 4.

Следующим этапом экспериментов было проведение одноосного сжатия образцов с помощью испытательного пресса, с целью определения прочности образцов вмещающей горной породы №№ 0, 3, 4. Поскольку прочность образцов изменяется в широкий пределах, условно образцы были разделены по прочности: на низкопрочные, среднепрочные, высокопрочные.

Таким образом, проведенные экспериментальные исследования влияния пьезоакустического возбуждения на параметры ЭМС показали, что:

1. во всем диапазоне изменения длительности акустического воздействия в АЧС ЭМС (рис 2.1 - 2.14) выделяются две основные частотные полосы: 63-66 кГц, 89-92 кГц. Вид регистрируемых ЭМС позволяет сделать вывод о том, что это затухающие колебательные процессы. При изменении длительности возбуждающего импульса наблюдаются изменения формы аналогового ЭМС, а соответственно и его АЧС на всех образцах;

2. наблюдается ярко выраженный пик на частоте 68 кГц для образцов вмещающей горной породы №№ 0, 3, 4 (рис 2.15 – 2.18) при напряжении возбуждения пьезопреобразователя 800В и длительностях пьезоакустического возбуждения, которое изменялось от 5100 мкс;

3. с увеличением длительности акустического сигнала происходит уменьшение амплитуды спектральных составляющих для образцов вмещающей горной породы №№ 0, 3, 4 (рис 2.15 – 2.18).

4. определена предельная прочность образцов;

5. сравнение максимальных значений амплитуд аналоговых ЭМ сигналов и их размаха показало, что низкопрочный образец №0 имеет максимальную амплитуду 1,14В, что на порядок превышает максимальную амплитуду для образцов №3 и №4, которые соответственно равны 0,248 В и 0,368 В.

Код для цитирования: Скопировать