14.A18.21.1980
АННОТИРОВАННЫЙ НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКИЙ ОТЧЕТ
О РЕЗУЛЬТАТАХ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИХ РАБОТ, ВЫПОЛНЕННЫХ НА ЭТАПЕ №1
«Исследование закономерностей развития диссипативных мезотрещинных структур в образцах горных пород при сжатии и установление системы надежных предвестников разрушения, отражающих этапы формирования и развития диссипативных мезотрещинных структур горных пород»
Соглашение № 14.A18.21.1980 от 14 ноября 2012 г.
Тема: «Нелинейные осцилляционные процессы подготовки разрушения сильно сжатых горных пород»
Исполнитель: Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Дальневосточный федеральный университет»
Ключевые слова: деформирование, сильное сжатие, акустическая эмиссия, диссипативные структуры, предвестники разрушения
- Цель проекта
Явления разрушения массива горных пород приобрели в последние годы для Земли характер глобальных экологических катастроф. Землетрясения 2010 года на Гаити (7 баллов) и в 2011 года в Японии (9 баллов) привели не только к многочисленным человеческим жертвам, но и к угрозам эпидемий и радиоактивного заражения всей планеты. Несмотря на наличие обширной сети сейсмоакустических станций и огромный объем научных работ, предсказание таких событий оказалось невозможным. Это является ярким свидетельством недостаточности существующего уровня понимания механизмов разрушения геоматериалов на различных структурных уровнях геосреды, Назрела необходимость отхода от традиционных консервативных схем в прогнозе и инвестирования научного потенциала для формирования новых концептуальных подходов к определению критического состояния геодинамических систем. Предлагаемый проект направлен на решение данной социально и экономически важной проблемы.
Поэтому целью выполнения научно-исследовательской работы проекта является разработка надежных предвестников разрушения горных пород как основы прогноза геодинамических явлений в массивах.
Достижение цели проекта основывается на исследовании закономерностей развития диссипативных мезотрещинных структур в образцах горных пород при сжатии; а также установлении системы надежных предвестников разрушения, включающих долгосрочный, среднесрочный и краткосрочный предвестники, отражающих этапы формирования и развития диссипативных мезотрещинных структур в этих условиях.
- Основные результаты проекта
Исследование закономерностей развития диссипативных мезотрещинных структур в образцах горных пород при сжатии осуществлено в результате комплексных деформационно-акустических экспериментов в предразрушающей стадии нагружения. Исследование деформирования пород проведено на основе разработанной методики определения закономерностей деформаций образцов горных пород при сильном сжатии, отличающаяся тем, что деформации образцов измеряются тензометрическим методом по многоточечной схеме с использованием сервоуправляемых жестких нагрузочных устройств нового поколения и компьютерной регистрацией сигналов, что соответствует мировому уровню аналогичных исследований.
Исследованы закономерности деформирования сильно сжатых образцов горных пород с применением сервоуправляемой нагрузочной системы MTS-816, установлены этапы деформирования образцов сильно сжатых пород, отличающиеся тем, что на первом этапе осуществляется равномерное растрескивание образца, и кривые объемных деформаций приобретают реверсивный характер; на втором этапе происходит локализация мезодефектов с образованием очага макроразрушения, и кривые объемных деформаций приобретают U- и S-образную форму; на третьем, заключительном, этапе начинается устойчивый рост макроразрыва, что сопровождается скачкообразным изменением приращений объемных удельных деформаций.
Исследование акустической эмиссии пород проведено на основе разработанной методики определения закономерностей акустического излучения образцов горных пород при сильном сжатии, заключающейся в том, чтов результате измерения скоростей упругих волн, распространяющихся в образце и регистрации сигналов акустической эмиссии, определяемых с помощью пьезоэлектрических датчиков, определяются скорости упругих волн, вызванных возникновением мезодефектов, что позволяет производитьопределение источников акустической эмиссии. На основе итерационного подхода с применением линеаризации методом наименьших квадратов реализуется метод определения основных элементов для источников с минимизацией суммы квадратов разностей времен прохождения. На основе результатов измерений, производят аппроксимирование для скорости (Vp) волны (P), распространяющейся во всех направлениях, это значение используют для определения источника.
Исследованы закономерности развития диссипативных мезотрещинных структур в образцах. Установлено, что стадия равномерного растрескивания образцов завершается при достижении порога дилатансии, затем происходит локализация возникающих мезодефектов с образованием очага макроразрыва, а на заключительной стадии нагружения область локализации и очаг макродефекта вытягиваются в направлении развития макроразрыва.
На основании проведенных исследований разработанаметодика определения надёжных предвестников разрушения горных пород в состоянии сильного сжатия, отличающаяся тем, что на иерархическом уровне породного образца в качестве долгосрочного предвестника принимается порог дилатансии, определяемый как точка перегиба кривой объемных деформаций и соответствующий началу когерентного образования мезотрещин; в качестве среднесрочного предвестника принимается момент разнознакового приращения удельных объемных деформаций, соответствующий началу формирования диссипативной мезотрещинной структуры образца; и в качестве краткосрочного предвестника принимается момент скачкообразного изменения приращений удельных объемных деформаций, соответствующий началу формирования макроразрыва.
Полученные научные результаты являются новыми в исследовании закономерностей развития дефектных структур горных пород при сжатии.
Полученные научные результаты соответствуют мировому уроню аналогичных исследований закономерностей развития дефектных структур горных пород при сжатии.
- Назначение и область применения результатов проекта
Закономерности развития диссипативных мезотрещинных структур в образцах горных пород при сжатии, определенных в результате комплексных деформационно-акустических экспериментов в предразрушающей стадии нагружения и аномальные эффекты деформирования сильно сжатых образцов горных пород, связанные с этапами трещинообразования, определяемыми акустическим методом, могут бытьиспользованы для установления системы надежных предвестников разрушения.
Система надежных предвестников разрушения, включающих долгосрочный, среднесрочный и краткосрочный предвестники, отражающих этапы формирования и развития диссипативных мезотрещинных структур горных пород при сжатии, может быть использована для прогноза формирования очагов макроразрушения.
Результаты исследований актуальны в горном деле и сейсмологии для прогноза геодинамических явлений в массивах горных пород.
- Перспективы развития исследований
Участие в ФЦП способствовало существенному развитию новых исследовательских партнерств с зарубежными участниками. Так в области акустических исследований работы проводились с профессором А.Ю. Виноградовым (университет г. Осака), а также профессором Ци Куин Чжи с области геомеханики (Пекинский горной институт).
Реализуется проект с профессором Ци Куин Чжи в области геомеханики (Пекинский горной институт), касающийся зонального разрушения массива вокруг подземных горных выработок, как одна из форм динамических проявлений горного давления. Проект развивался в рамках приглашения профессор М.А.Гузева в Пекин в августе 21012 г.
В рамках федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 2009-2013 гг» выполняется государственный контракт № 14.740.11.1214 по теме: «Исследование закономерностей формирования мезотрещинной структуры в образцах горных пород при нагрузках, близких к разрушающей, с определением очага макроразрушения». Целью данной НИР является разработка метода геоакустического контроля состояния образца горной породы при нагрузках, близких к разрушающей. В ходе выполнения НИР были решены следующие задачи: исследовано состояние проблемы мониторинга картины деформирования образцов горных пород при нагрузках, близких к разрушающим, проведены экспериментальные исследования картины деформирования образцов горных пород при нагрузках, близких к разрушающим, геоакустическим методом, Выявлены закономерности формирования мезотрещенной структуры в образцах горных пород в предразрушающем состоянии, определены места образования очага макроразрушения в образце горной породы в предразрушающем состоянии, выявлены закономерности образования очага макроразрушения в образце горной породы.
Существующее сотрудничество с такими странами как КНР (Пекинский горных институт), Польша (университет г.Пльзень), США (Луизианский технологических университет), Австралия (Западно-Австралийский университет) может способствовать продвижению теоретических представлений о диссипативных мезотрещинных структурах в сильно сжатых горных породах и массивах.
- Опыт закрепления молодых исследователей – участников проекта (этапа проекта) в области науки, образования и высоких технологий
Закреплены следующие молодые исследователи:
- Голосов Андрей Михайлович, 08.08.1987 года рождения принят на работу на должность инженера Исполнителя;
- Красова Тамара Дмитриевна, 08.05.1987 года рождения зачислена в заочную аспирантуру Исполнителя.
- Вклад приглашенного руководителя в проект (этап проекта)
Взаимодействие с научным руководителем темы Гранта профессором Тарасовым Б.Г. осуществлялось в течение всего года в процессе стажировки в Западно-Австралийском университете профессора В.В.Макарова, а также при подготовке к конференции «Mining 2012» в г.Перт, апрель 2012 г.
Стажировка пройдена в одном из ведущих зарубежных научных центров в области геодинамики, установлены долгосрочные контакты и договоренности с ведущими зарубежными специалистами. Прохождение стажировки способствовало дальнейшему развитию взаимовыгодного сотрудничества (использование современного дорогостоящего оборудования при проведении научных исследований, приобретение навыка работы на современном оборудовании, привлечение иностранных студентов – магистрантов и аспирантов для обучения в ДВФУ, привлечение к учебному процессу ведущих зарубежных профессоров и т.д.) между ДВФУ и Западно-австралийским университетом г. Перт. Заключена договоренность о создании совместной Лаборатории геомеханики с Центром разработки шельфовых систем (COFS, Director Prof. Christophe Gaudin).
В процессе стажировки приобретены навыки работы, которые в дальнейшем использованы при работе на оборудовании ДВФУ, получении новых научных результатов по теме гранта ФЦП. Установлены новые закономерности деформирования образцов горных пород, заключающиеся в охрупчивании материала горных пород с ростом боковых напряжений, что обусловлено закономерностями формирования и развития диссипативных мезотрещинных структур.
При участии проф. Б.Г.Тарасова подготовлена Рабочая Программа учебной дисциплины (РПУД) «Applied Geotechnics» для чтения лекций по международной магистерской программе "Offshore and Coastal Engineering" на английском языке.
Руководитель Проекта – Макаров В.В.