Оборудование и методика исследования термоакустоэмиссионных эффектов памяти…

Оборудование и методика исследования
термоакустоэмиссионных эффектов памяти
в горных породах

Институт физики Земли им. О.Ю. Шмидта РАН, г. Москва, Россия

Автор для переписки: А.В. Пономарев, e-mail: avp@ifz.ru

Термически стимулированные разрушения в горных породах активно исследуются уже более 30 лет для решения как фундаментальных, так и прикладных задач. В то же время существуют особенности, затрудняющие получение информации о развитии термических разрушений по сравнению с механическими разрушениями. В статье рассмотрены три основных проблемы – малое количество регистрируемых импульсов акустической эмиссии, различие теплового режима при нагреве и охлаждении и высокий уровень помех традиционных систем управления нагревом. Проанализированы пути их решения, предложена и разработана усовершенствованная лабораторная установка и методика исследования термически стимулированных разрушений горных пород.

Ключевые слова: горные породы, акустическая эмиссия, термоэмиссионный эффект памяти, лабораторное оборудование, разработка аппаратуры

Цитируйте эту статью как: Казначеев П.А., Майбук З.-Ю.Я., Пономарев А.В. Оборудование и методика исследования термоакустоэмиссионных эффектов памяти в горных породах // Сейсмические приборы. 2019. Т. 55, № 1. C.29–45. https://doi.org/10.21455/si2019.1-2

Васин Р.Н., Никитин А.Н., Локаичек Т., Рудаев В. Акустическая эмиссия квазиизотропных образцов горных пород, инициированная температурными градиентами // Физика Земли. 2006. № 10. С.26–35.

Вознесенский А.С., Шкуратник В.Л., Вильямов С.В., Винников В.А. Установка для акустоэмиссионных исследований горных пород при их нагревании // ГИАБ. 2007. № 12. С.143–150.

Елизаров С.В., Букатин А.В., Ростовцев М.Ю., Терентьев Д.А. Новинки программного обеспечения АЭ систем семейства A-Line // В мире неразрушающего контроля. 2008. № 3. С.18–21.

Казначеев П.А., Майбук З.-Ю.Я., Пономарев А.В. Методика оценки влияния скорости нагрева на интенсивность акустической эмиссии при исследовании термически стимулированных разрушений горных пород // ГИАБ. 2018. № 5. С.5–25. https://doi.org/10.25018/0236-1493-2018-5-0-5-25

Казначеев П.А., Майбук З.-Ю.Я., Пономарев А.В., Смирнов В.Б., Бондаренко Н.Б. Лабораторное исследование термостимулированных разрушений горных пород // Триггерные эффекты в геосистемах (Москва, 6–9 июня 2017 г.): Материалы IV Всероссийской конференции с международным участием / Под ред. В.В. Адушкина, Г.Г. Кочаряна. ИДГ РАН. М.: ГЕОС, 2017. С.163–171.

Ржевский В.В., Ямщиков В.С., Шкуратник В.Л., Фарафонов В.М., Лыков К.Г. Термоэмиссионные эффекты памяти горных пород // Докл. АН СССР. 1985. Т. 283, № 4. С.843–845.

Соболев Г.А., Пономарев А.В., Никитин А.Н., Балагуров А.М., Васин Р.Н. Исследование динамики полиморфного α-β–перехода в кварците методами нейтронной дифрактометрии и акустической эмиссии // Физика Земли. 2004. № 10. С.5–15.

Browning J., Meredith P., Gudmundsson A. Cooling-dominated cracking in thermally stressed volcanic rocks // Geophys. Res. Lett. 2016. V. 43, Iss. 16. P. 8417–8425. https://doi.org/10.1002/2016GL070532

Chmel A., Shcherbakov I. Microcracking in impact-damaged granites heated up to 600 °C // J. Geophys. Eng. 2015. V. 12. P.485–491. https://doi.org/10.1088/1742-2132/12/3/485

Collins B., Stock G. Rock fall triggering by cyclic thermal stressing of exfoliation fractures // Nature Geoscience. 2016. V. 9. P.395–400. https://doi.org/10.1038/NGEO2686

Jones C., Keaney G., Meredith P.G., Murrell S.A.F. Acoustic emission and fluid permeability measurements on thermal cracked rocks // Phys. Chem. Earth. 1997. V. 22, N 1-2. P.13–17.

Kong B., Wang W., Li Z., Wang X., Niu Y., Kong X. Acoustic emission signals frequency-amplitude characteristics of sandstone after thermal treated under uniaxial compression // J. Appl. Geophys. 2017. V. 136. P.190–197. DOI: http://dx.doi.org/10.1016/j.jappgeo.2016.11.008

Menéndez B., David C., Darot M. A study of the crack network in thermally and mechanically cracked granite samples using confocal scanning laser microscopy // Phys. Chem. Earth (A). 1999. V. 24, N 7. P.627–632. https://doi.org/10.1016/S1464-1895(99)00091-5

Molaro J.L., Byrne S., Langer S.A. Grain-scale thermoelastic stresses and spatiotemporal temperature gradients on airless bodies, implications for rock breakdown // J. Geophys. Res. Planets. 2015. V. 120. Iss. 2. P.255–277. https://doi.org/10.1002/2014JE004729

Nasseri M.H.B., Schubnel A., Benson P.M., Young R.P. Common evolution of mechanical and transport properties in thermally cracked Westerly granite at elevated hydrostatic pressure // Pure Appl. Geophys. 2009. V. 166. P.927–948. https://doi.org/10.1007/s00024-009-0485-2

Patonin A.V., Ponomarev A.V., Smirnov V.B. Laboratory instrumental complex for studying the physics of the destruction of rocks // Seismic Instruments 2014. V. 50, N 1. P.9–19. https://doi.org/10.3103/S0747923914010046

Peng J., Rong G., Yao M., Wong L.N.Y., Tang Z. Acoustic emission characteristics of a fine-grained marble with different thermal damages and specimen sizes // Bull. Eng. Geol. Environ. 2018. P.1–13. DOI: https://doi.org/10.1007/s10064-018-1375-6

Rong G., Yao M., Peng J., Sha S., Tan J. Influence of initial thermal cracking on physical and mechanical behaviour of a coarse marble: insights from uniaxial compressiontests with acoustic emission monitoring // Geophys. J. Int. 2018. V. 214. P.1886–1900. https://doi.org/10.1093/gji/ggy257

Shkuratnik V.L., Novikov E.A. Physical modeling of the grain size influence on acoustic emission in the heated geomaterials // J. Min. Sci. 2012a. V. 48, Iss. 1. P. 9–14. https://doi.org/10.1134/S1062739148010029

Shkuratnik V.L., Novikov Е.А. Correlation of thermally induced acoustic emission and ultimate compression strength in hard rocks // J. Min. Sci. 2012b. V. 48, Iss. 4. P.629–635. https://doi.org/10.1134/S1062739148040053

Todd T.P. Effects of cracks on elastic properties of low porosity rocks. PhD thesis. Massachusetts Institute of Technology, 1973.

Vinciguerra S., Trovato C., Meredith P.G., Benson P.M. Relating seismic velocities, thermal cracking and permeability in Mt. Etna and Iceland basalts // Int. J. of Rock Mech. & Min. Sci. 2005. V. 42. P.900–910. https://doi.org/10.1016/j.ijrmms.2005.05.022

Vinnikov V.A., Shkuratnik V.L. Theoretical model for the thermal emission memory effect in rocks // J. Appl. Mech. and Tech. Phys. 2008. V. 49, N 2. P.301–305. DOI: https://doi.org/10.1007/s10808-008-0041-3

Yong C., Wang C.-Y. Thermally induced acoustic emission in Westerly granite // Geophys. Res. Lett. 1980. V. 7, N 12. P.1089–1092.

КАЗНАЧЕЕВ Павел Александрович – кандидат технических наук, старший научный сотрудник, Институт физики Земли им. О.Ю. Шмидта РАН. 123242, Москва, ул. Большая Грузинская, д. 10, стр. 1. Тел.: +7(499) 254-23-40. E-mail: p_a_k@mail.ru

МАЙБУК Зиновий-Юрий Ярославович – старший научный сотрудник, Институт физики Земли им. О.Ю. Шмидта РАН. 123242, Москва, ул. Большая Грузинская, д. 10, стр. 1. Тел.: +7(499) 254-23-40. E-mail: rim@ifz.ru

ПОНОМАРЕВ Александр Вениаминович – доктор физико-математических наук, главный научный сотрудник, Институт физики Земли им. О.Ю. Шмидта РАН. 123242, Москва, ул. Большая Грузинская, д. 10, стр. 1. Тел.: +7(499) 254-88-41. E-mail: avp@ifz.ru

English Translation: Seismic Instruments, ISSN: 0747-9239 (Print) 1934-7871 (Online),

Setup and technique of research
of thermal acoustic emission memory effects in rocks

Schmidt Institute of Physics of the Earth, Russian Academy of Sciences, Moscow, Russia

Abstract. Thermal stimulated rock failure is researched actively during more than 30 years for fundamental and applied problems solving. At the same time, there are methodological specifics that complicate to accessing of data about thermal failure growth in comparison with mechanical failure. In paper, three main problems are examined. For its solving, the improved laboratory setup is developed. First problem is fewness of thermoacoustic emission impulses. The developed setup has acoustic waveguide of the little length, as compared with works of other authors, firstly. For preventing of overheating of acoustic emission sensor, outer waveguide end has heat sink with forced cooling. Secondly, the setup has layer of melted indium between specimen and inner waveguide end. Therefore, energy loss of acoustic emission impulses is reduced substantially. Second problem is thermal conditions difference of heating and cooling, namely difference of temperature gradient direction. The setup construction saves direction of temperature gradient on cooling nearly identical with heating. Third problem is generation of acoustic and electromagnetic disturbances by traditional heating control system with current commutation. It’s proposed to use piecewise-linear (step-by-step) heating power control. In this case, very few disturbances are observed, only in instant of heating power jump. Experiments with few tens rock specimens show productivity and effectiveness of the setup and the technique.

Keywords: rock, acoustic emission, thermoemission memory effect, laboratory setup, hardware development

KAZNACHEEV Pavel Aleksandrovich – Candidate of Technical Sciences, Senior Staff Scientist, Schmidt Institute of Physics of the Earth of the Russian Academy of Sciences. 123242, Moscow, ul. Bolshaya Gruzinskaya, 10, building 1. Phone: +7(499) 254-23-40. E-mail: p_a_k@mail.ru

MAIBUK Zinovii-Yurii Yaroslavovich – Senior Staff Scientist, Schmidt Institute of Physics of the Earth of the Russian Academy of Sciences. 123242, Moscow, ul. Bolshaya Gruzinskaya, 10, building 1. Phone: +7(499) 254-23-40. E-mail: rim@ifz.ru

PONOMAREV Alexander Veniaminovich – Doctor of Physical and Mathematical Sciences, Chief Scientist, Head of Laboratory, Schmidt Institute of Physics of the Earth of the Russian Academy of Sciences. 123242, Moscow, ul. Bolshaya Gruzinskaya, 10, building 1. Phone: +7(499) 254-88-41. E-mail: avp@ifz.ru

Cite this article as: Kaznacheev P.A., Maibuk Z.-Yu.Ya., Ponomarev A.V. Setup and technique of research of thermal acoustic emission memory effects in rocks. Seismicheskie Pribory, 2019, Vol. 55, No. 1. P. 29–45. [in Russian]. https://doi.org/10.21455/si2019.1-2

English translation of the article will be published in Seismic Instruments, ISSN: 0747-9239 (Print) 1934-7871 (Online), https://link.springer.com/journal/11990), 2020, Volume 56, Issue 1.

СЕЙСМИЧЕСКИЕ ПРИБОРЫ. 2019. Том 55. № 1. C.29–45. https://doi.org/10.21455/si2019.1-2