Ультразвуковые измерения в образцах угля с использованием поперечных упругих волн

Внедрение: 2020 г.

Ранее мы публиковали пример использования модуля E20‑10 в задаче акустических исследований угольного пласта.

Настоящие экспериментальные исследования [1] проводились на образцах антрацита, каменного и бурого угля, представляющих месторождения Восточного Донбасса, Бородинское и Апсатское, соответственно. Для проведения ультразвуковых (УЗ) измерений был использован представленный на рисунке 1 лабораторный стенд, основу которого составлял разработанный Ф.Ф. Горбацевичем акустополярископ (АП).

Рисунок 1. Внешний вид лабораторного стенда: 1 – излучающий УЗ пьезоэлектрический преобразователь (ПЭП); 2 – приемный УЗ ПЭП; 3 – образец; 4 – АЦП; 5 – генератор; 6 – устройство контроля прижимного усилия; 7 – компьютер.

Последний представляет собой устройство, содержащее излучающий и приемный УЗ преобразователи S-волн с рабочей частотой 600 кГц, закрепленные на специальной раме так, чтобы ориентация плоскостей их поляризации совпадала. 

В отличие от обычно используемых в комплекте с АП для проведения УЗ измерений дефектоскопов (например, УД2‑12 или УД2‑16), лабораторный стенд был снабжен импульсным генератором дефектоскопа УД2Н‑ПМ, обеспечивающим возбуждение излучающего ПЭП электрическим сигналом в виде меандра амплитудой 300 В, а также АЦП Е20‑10 с частотой дискретизации 5 МГц. Оцифрованный принятый сигнал регистрировался на ПК в виде записей длительностью 205 мс, или 1024 отсчетов. По указанным записям с учетом осреднения результатов пятидесяти последовательных измерений автоматически вычислялись искомые значения скорости распространения Vs и амплитуды Аs первой полуволны поперечных упругих волн.

Авторами было предложено исключить применение жидких контактных сред для ввода и приема S‑волн в образцы угля, заменив их наждачной бумагой. Для подтверждения возможности такой замены на описанном выше стенде были проведены исследования волновых форм сигналов S‑волн, прошедших через образцы антрацита, каменного и бурого угля. На рисунке 2 в качестве примера приведены такие зависимости для антрацита, полученные при использовании в качестве контактной среды мёда и наждачной бумаги с различным размером зерна. 

Рисунок 2. Волновые формы S‑волн при использовании в качестве контактной среды между ПЭП и образцом антрацита наждачной бумаги Р30 (а), Р60 (b), Р180 (с), Р400 (d) и мёда (е).

 Отношение С/Ш для антрацита, каменного и бурого угля при различных вариантах КУ отражают диаграммы на рисунке 3.

Рисунок 3. Отношение С/Ш для антрацита, каменного и бурого угля при использовании для обеспечения КУ ПЭП S‑волн с образцом: наждачной бумаги Р30 (а), Р60 (b), Р180 (с), Р400 (d) и мёда (е).

Полученные на образце антрацита акустополяриграммы представлены на рисунке 4. Последние представляют собой кривые, отражающие зависимости амплитуды принятых УЗ сигналов поперечных волн от угла поворота образцов вокруг своей оси. Получение акустополяриграмм осуществлялось с использованием представленной на рисунке 1 лабораторной установки. При этом угол поворота образца изменялся дискретно с шагом 30°.

Рисунок 4. Зависимость As от угла поворота образца при использовании в качестве контактной среды наждачной бумаги (Р400) (слева) и мёда (справа).

Авторы отмечают, что применение поперечных упругих волн ультразвукового диапазона частот при исследовании структуры и свойств горных пород позволяет повысить чувствительность контроля, а также дает возможность оценивать анизотропию геоматериала и выявлять в нем определенным образом ориентированные дефекты. 

Работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований, соглашение № 18‑05‑70002.

Источник:
Шкуратник В.Л., Николенко П.В., Ануфренкова П.С. Об особенностях ультразвуковых измерений в образцах угля с использованием поперечных упругих волн // Горный информационно-аналитический бюллетень. – 2020. – № 4. – С. 117‑126. DOI: 10.25018/0236-1493-2020-4-0-117-126.

У данной темы исследований имеется продолжение, читайте статью Исследование динамики разрушения угля под воздействием циклического замораживания–оттаивания.

Разработчик: Шкуратник В.Л., Николенко П.В., Ануфренкова П.С. (НИТУ «МИСиС», Москва)