Определение упругих свойств осадочных горных пород на примере образцов известняка

Внедрение: 2020 г.

Целью работы [1] является установление корреляционной взаимосвязи между статическим и динамическим модулями упругости, рассчитанными по измеренным скоростям упругих волн на основе лазерно-ультразвуковой диагностики для осадочных горных пород на примере образцов известняка.

В данной работе исследовалась серия из 55 образцов. Для определения таких физико-механических свойств известняка, как предел прочности при одноосном сжатии, модуль упругости Е (статический), коэффициент Пуассона, были испытаны 5 выборок по 11 образцов.

Для определения этих свойств использовались пресс ТП‑1‑1500 с максимальной нагрузкой 1500 кН и тензометрический аппаратно-программный комплекс на основе крейтовой системы LTR (тензометрические модули LTR212M‑2 и крейт LTR‑EU‑2‑5) и программного комплекса ACTest. Пресс и тензометрический аппаратно-программный комплекс были синхронизированы по времени регистрации напряжения. Первоначально для серии образцов измерялся предел прочности при одноосном сжатии. Далее регистрация продольной и поперечной деформации образцов известняка проводилась при нагружении образцов в интервале от 5 % до 60 % от предела прочности при сжатии. Предполагалось, что в данном интервале нагрузок все образцы ведут себя как упругие тела. На определенных участках «ветвей» нагрузки (разгрузки) и соответствующем интервале деформации вычислялись статические модули упругости.

Для определения динамических модулей упругости проводились прецизионные измерения скоростей продольной и поперечной волны в образцах известняка при использовании лазерного ультразвукового дефектоскопа УДЛ‑2М (а только потом эти же образцы испытывались механически – для определения статических модулей упругости), рисунок  1.

Рисунок 1. Схема измерения скоростей упругих волн в образце известняка с помощью лазерного ультразвукового дефектоскопа УДЛ‑2М: 1 – оптический кабель, 2 – лазер, 3 – персональный компьютер, 4 – приемник, 5 – лазерное излучение, 6 – оптико-акустический генератор, 7 – импульсы, 8 – образец горной породы.

На рисунке 2 представлена диаграмма деформирования для одного из образцов известняка. Для определения статического модуля упругости (Es) рассматривался участок разгрузки на диаграмме деформирования. 

Рисунок 2. Диаграмма деформирования одного из образцов известняка.

Полученные значения статических и динамических модулей (Es и Ed) образцов из общей серии были обработаны статистически на основе корреляционно-регрессионного анализа (КРА) для построения аппроксимирующей кривой. На рисунке 3 приведена найденная зависимость между установленными значениями динамических модулей упругости и статических для образцов известняка.

Рисунок 3. Результаты корреляционно-регрессионного анализа значений статического и динамического модуля упругости.

Оказалось, что значения динамических и статических модулей упругости исследуемых образцов при условии, что общая пористость была приблизительно равна, хорошо аппроксимируется линейной функцией, для которой коэффициент детерминации R² равен 0,98, что говорит о хорошей сходимости данных статических и динамических измерений.

В данной работе исследовались образцы известняков, для которых были определены прочностные свойства и деформационные характеристики. Найдена корреляционная связь значений динамических и статических модулей упругости. 

Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта № 19‑35‑90063.

Источник:
Шибаев И.А., Винников В.А., Степанов Г.Д. Определение упругих свойств осадочных горных пород на примере образцов известняка с помощью лазерной ультразвуковой диагностики // Горный информационно-аналитический бюллетень. – 2020. – № 7. – С. 125‑134. DOI: 10.25018/0236-1493-2020-7-0-125-134.

Разработчик: Шибаев И.А., Винников В.А., Степанов Г.Д. (НИТУ «МИСиС», Москва)