КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер 17-77-10009

НазваниеРазработка метода контроля критических изменений напряженно-деформированного состояния горных выработок и тоннелей на основе акустических эффектов в композитах с целью предотвращения возникновения катастроф техногенного характера.

РуководительНиколенко Петр Владимирович, Кандидат технических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСИС", г Москва

Период выполнения при поддержке РНФ 07.2017 - 06.2019 

Конкурс№23 - Конкурс 2017 года по мероприятию «Проведение инициативных исследований молодыми учеными» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными.

Область знания, основной код классификатора 07 - Науки о Земле, 07-301 - Геомеханика

Ключевые словаАкустическая эмиссия, эффекты памяти, композиционные материалы, напряженное состояние, техногенная катастрофа, мониторинг, горные выработки, подземное строительство.

Код ГРНТИ52.00.00

СтатусУспешно завершен

 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Идея проекта состоит в применении акустических эффектов в различных композиционных материалах, используемых в качестве активных элементов датчиков, которые предполагается размещать в контролируемых объектах. На этой основе предлагается создание метода контроля напряженно-деформированного состояния и устойчивости конструкций, разрушение которых может привести к катастрофическим последствиям для экономики и безопасности граждан. На сегодняшний день проблема эффективного контроля устойчивости подземных горных выработок и несущих конструкций подземных сооружений до конца не решена. Основными факторами, влияющими на потерю их устойчивости, можно считать превышение напряжениями определенного критического уровня и появление значимых структурных нарушений (например, зон дезинтеграции в целиках, расслоений в кровле, значительных трещин в железобетонных конструкциях и т.п.). Использование традиционных подходов оценки НДС, например, с использованием различных вариантов метода разгрузки, наталкивается на высокую трудоемкость проведения натурных измерений и необходимость экспериментального определения упругих констант горных пород, при этом общая погрешность таких методов может достигать десятков процентов. С другой стороны, используемые в настоящее время геофизические методы, предоставляют только качественную информацию о состоянии объекта контроля и могут быть использованы лишь для решения узкого круга задач, связанных с оценкой нарушенности приконтурной области массива, а также его склонности к динамическим явлениям. На данный момент не существует единого обоснованного подхода, позволяющего эффективно решать задачу мониторинга динамики НДС в конструктивных элементах систем разработки, предупреждения о потере ими устойчивости и возникновении в них опасных структурных нарушений. Принципиально новым подходом для решения поставленной выше задачи может являться использование акустических эффектов в композиционных материалах различного состава и строения, размещаемых в контролируемых объектах в виде устройств-сигнализаторов. Одним из таких эффектов является акустико-эмиссионный эффект памяти (АЭЭП), суть которого сводится к невоспроизводимости параметров акустической эмиссии до максимального напряжения предшествующего цикла нагружения, когда параметры акустической эмиссии скачкообразно восстанавливаются до уровня, соответствующего этому максимальному напряжению. Ранее, автором заявки были экспериментально выявлено и изучено проявление АЭЭП в ряде композиционных материалов, подвергаемых одноосному нагружению. Возможность применение этого эффекта на практике для контроля напряжений оказалась весьма ограниченной из-за того, что многие конструктивные элементы систем разработки полезных ископаемых и узлы конструкций подземных сооружений находятся, как правило, в условиях сложного напряженного состояния. Более того, многие элементы (кровля горной выработки, балки и плиты перекрытий и т.д.) часто находятся в условиях растягивающих напряжений, контроль которых с применением эффектов памяти невозможен. Для реализации контроля критических изменений напряженно-деформированного состояния подземных несущих элементов предлагается два подхода. Первый состоит в создании из композиционного материала с изученными акустическими свойствами цилиндра, который подвергают трехосному неравнокомпонентному нагружению до определенного критического уровня напряжений. Этот уровень и соотношение компонент нагружения должен соответствовать НДС в контролируемом массиве (конструктивном элементе подземной конструкции), при котором его устойчивость может быть нарушена. Параметры задаваемого критического уровня подбираются на основе расчётных методов (в том числе с помощью моделирования методом конечных элементов). Подготовленный таким образом цилиндр снабжают пьезоэлектрическим преобразователем и жестко закрепляют в торце измерительной скважины, пробуренной из выработки. В момент, когда под действием естественных или техногенных факторов НДС в массиве в зоне контроля превысит заданное критическое значение, в композиционном цилиндре проявится АЭЭП, который будет зарегистрирован измерительной аппаратурой по пороговому принципу. Проявление АЭЭП в данном случае буде свидетельствовать о потере устойчивости в конструктивном элементе системы разработки. По сути, будут созданы сигнализаторы критических уровней напряжений, по достижению которых необходимо применять комплекс технологических решений по предотвращению техногенной катастрофы. Второй подход предполагает размещение цилиндра из твердеющего композита в торце скважины в жидком (пастообразном) состоянии. После завершения твердения матрицы и пластических деформаций контура скважины цилиндр выбуривается и подвергается трехосному нагружению. При нагружении предлагается последовательно увеличивать осевое и боковое давление вплоть до момента проявления АЭЭП. По максимальным достигнутым значениям нагрузки можно будет судить о параметрах изменения НДС в контролируемой области. Для реализации описанных подходов потребуется провести комплексные акустико-эмиссионные и механические испытаний синтезированных композиционных материалов. В качестве последний предлагается использовать различные типы эпоксидных смол с заполнителем из угле- и стекловолокна, а также порошков различных металлов. Необходимо определить условия формирования и проявления АЭЭП в таких материалах в условиях трехкомпонентного нагружения, оценить их акустико-эмиссионную тензочувтвительность, выявить информативные параметры акустической эмиссии, наиболее четко описывающие проявление АЭЭП. Для реализации контроля возникновения структурных нарушений под действием растягивающих напряжений (трещин расслоения в кровле, продольных трещин в несущих балках) предлагается подход, заключающийся в размещении в вертикальном шпуре, хрупкого композиционного цилиндра, жестко связанного со стенками скважины. Современный уровень развития компонентов для изготовления композитов позволяет синтезировать материал, прочностные характеристики которого обеспечат его хрупкое разрушение в зоне образования расслоения при достижении определенного критического растягивающего напряжения. Для оценки параметров такого нарушения, а также глубины расположения трещины от контура выработки предлагается использовать результаты акустико-эмиссионных измерений. При этом необходимо будет обладать априорной информацией об акустических свойствах используемого композиционного материала (скорости распространения продольной волны, затухания, влияния структурных особенностей на спектральные характеристики эмиссионных сигналов), а также об акустико-эмиссионных эффектах, сопровождающих процесс хрупкого разрушения цилиндра под действием растягивающих нагрузок. Наряду с изучением акустических эффектов, проявляющихся в момент хрупкого разрушения композиционных материалов предлагается изучить связь между степенью его структурной нарушенности и параметрами акустической эмиссии. Такая связь наблюдается в горных породах, однако из-за естественной неоднородности носит случайный характер. Использование материалов с заранее заданными свойствами открывает принципиально новый подход к оценке нарушенности приконтурного массива на основе изучения четкости проявления АЭЭП в композиционных материалах. В заключение следует отметить, что предлагаемые подходы обладают потенциально низкой себестоимостью проведения измерений (стоимости композиционных включений и простейших электронных схем, работающих по пороговому принципу, сравнительно невелики) и могут быть легко масштабированы от разовых измерений в особо опасных зонах до создания комплексных систем мониторинга.

Ожидаемые результаты
Будут выявлены закономерности проявления АЭЭП в дисперснонаполненных, волокнистых и слоистых композиционных материалах, подвергаемых различным режимам трехстороннего неравнокомпонентного нагружения. Будет установлен комплекс характеристик исследуемых композиционных материалов, определяющих возможность их использования при контроле критических напряжений в конструктивных элементах горных выработок и подземных сооружений. Будут исследованы закономерности проявления акустической эмиссии в дисперснонаполненных композитах, подвергаемых растягивающему нагружению, для создания на их основе датчиков контроля трещин расслоения. На основе компьютерного и физического моделирования будут разработаны рекомендации по методическому и аппаратурному обеспечению метода контроля критических изменений напряженно-деформированного состояния горных выработок и тоннелей на основе акустических эффектов в композитах.

 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2017 году
Проект направлен на решение задачи повышения безопасности строительства и эксплуатации подземных сооружений – шахт, рудников, а также объектов гражданской подземной инфраструктуры. Основным фактором опасности в этом случае является потеря устойчивости основными конструктивными элементами (крепи выработок, обделки подземных тоннелей и т.п.), которая может произойти из-за частичного разрушения последних и изменения напряженно-деформированного состояния (НДС) вмещающих пород. Не смотря на важность и актуальность проблемы контроля НДС массива, на сегодняшний день не существует единого эффективного и, вместе с тем, нетрудоемкого метода проведения мониторинга изменения величин и направлений основных компонент тензора напряжений вблизи выработок и других подземных сооружений. Идея проекта состоит в применении акустических эффектов в различных композиционных материалах, используемых в качестве активных элементов датчиков, которые предполагается размещать в контролируемых объектах. Одним из таких эффектов является акустико-эмиссионный эффект памяти (АЭЭП), суть которого сводится к невоспроизводимости параметров акустической эмиссии до максимального напряжения предшествующего цикла нагружения, когда параметры акустической эмиссии скачкообразно восстанавливаются до уровня, соответствующего этому максимальному напряжению. Использование описанного эффекта в размещаемых в измерительных скважинах упругих композиционных включениях позволит производить мониторинг изменения направлений и абсолютных значений приращений напряжений в приконтурном массиве. В рамках первого этапа реализации проекта решалась задача комплексного исследования проявлений акустико-эмиссионных эффектов в композиционных материалах, подвергаемых всестороннему неравнокомпонентному механическому нагружению (в соответствие с так называемой схемой Кармана). В роле композитов выступали материалы на основе эпоксидных смол и углеволоконных армирующих наполнителей, синтезированные в лабораторных условиях. В рамках совершенствования процесса синтеза композитов был разработан метод оценки их первичной нарушенности, основанный на ультразвуковом прозвучивании с применением шумовых высокочастотных сигналов с их последующей корреляционной обработкой. Метод позволил выявлять дефекты внутренней структуры, которые оказалось невозможно выявить традиционными методами ультразвуковой дефектоскопии. Основная часть исследований производилась на установке всестороннего сжатия УДС 65/80 с одновременной регистрацией всех информативных параметров акустической эмиссии (АЭ) с помощью многоканального измерительного комплекса A-Line 32D. По результатам лабораторных исследований было установлено что: - во всех синтезированных композитах эффект памяти проявляется при достижении осевой нагрузкой значения девиатора (разности осевых и боковых) напряжений, испытанных в предшествующем цикле неравнокомпонентного нагружения. - контроль за свойствами композитов позволяет создавать материалы, параметры которых обеспечивают возможность контроля напряжений в окрестностях горных выработок без использования специальных поправочных коэффициентов. При этом использование подобных коэффициентов в случае с горными породами обязательно, а их нахождение – трудоемкий и дорогостоящий процесс. - величина бокового гидростатического давления оказывает значительное влияние на параметры акустико-эмиссионной тензочувствительности композитов (Sae). Показано, что появление бокового пригруза значительно снижает параметр Sae. При этом увеличение бокового давления приводит к дальнейшему плавному снижению Sae. - применение специально разработанного алгоритма комплексной спектральной обработки зарегистрированных в процессе испытаний образцов сигналов акустической эмиссии позволило: а) установить, что в диапазоне до 50 кГц наблюдается снижение роли низких частот при увеличении нагрузки. При этом амплитуды низких частот возвращаются к исходным уровням при снятии нагрузки. б) показать, что в диапазоне частот (130÷150 кГц) изменение амплитуд происходит скачкообразно в момент достижения величиной нагрузки уровня максимума предыдущего цикла. Причем наиболее отчетливо такое изменение начинается с IV цикла нагружения, т.е. с уровня нагрузки 1/10 от предела прочности на одноосное сжатие. Таким образом эффект памяти возможно надежно выявлять по резкому изменению как традиционных информативных параметров (активности эмиссии, ее счета и суммы импульсов), так и по характерным изменениям спектрального состава АЭ событий. На основе выявленных закономерностей сформулирован подход к определению девиатора действующих в массиве напряжений. Указано, что при проведении дополнительных измерений подход может быть использован для определения абсолютных значений приращений главных напряжений

 

Публикации

1. Николенко П.В., Чепур М.Д. Особенности спектрального анализа проявлений акустико-эмиссионного эффекта памяти в композиционных материалах для решения задач контроля горного давления Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал), №5. С.129-135ю (год публикации - 2018)

2. Николенко П.В., Шкуратник В.Л., Чепур М.Д., Кошелев Е.А. Использование эффекта Кайзера в композиционных материалах для контроля напряженного состояния массива горных пород Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых (перев. Journal of Mining Science ISSN 1062-7391), номер 1, стр 25-31 (год публикации - 2018) https://doi.org/10.15372/FTPRPI20180103

Аннотация результатов, полученных в 2018 году
В рамках второго этапа ставилась задача комплексного исследования формирования и проявления акустико-эмиссионного эффекта памяти в ряде композиционных материалов, подвергаемых растягивающим напряжениям. Образцы для исследований были изготовлены из синтезированных композитов на основе эпоксидных смол с различными наполнителями. В качестве последних выступала алюминиевая пудра с размером частиц ≈ 60 мкм, дисперсно распределенные нити углеволокна длиной 3 мм, толщиной 15 мкм, а также листы углеткани, ориентированные вдоль оси образцов. Растягивающие напряжения в образцах создавались либо с помощью испытаний на разрывной машине, либо при одноосном сжатии цилиндрических образцов вдоль их диаметра (так называемая «Бразильская» схема). В результате испытаний композитов на чистый разрыв было установлено, что во всех типах материалов отчетливо проявляется акустико-эмиссионных эффект памяти, при этом наилучшими показателями сохранности «памяти» обладают материалы, заполненные дисперсно распределенными углеродными волокнами. Также было установлено, что при использовании спектральной обработки зарегистрированных импульсов акустической эмиссии оказывается возможным выделить сигналы, соответствующие хрупкому разрушению композитных стержней и, как следствие, по разности времен прихода определить местоположение разрыва с точностью до 3%. При испытании образцов по «Бразильской» схеме особое внимание было уделено комплексной спектральной обработке сигналов акустической эмиссии. Так, было установлено, что в образцах проявляется существенное изменение спектрального состава эмиссии в низкочастотной области. Особый интерес представляет эффект скачкообразного увеличения амплитуд в диапазоне частот до 50кГц в процессе разгрузки при достижении ранее достигнутого максимума нагрузки. Рост активности акустической эмиссии при этом оказывается практически неразличимым. Таким образом в образцах впервые наблюдался «обратный спектральный» эффект Кайзера – эффект, при котором носитель памяти «запоминает» ранее испытанный уровень растягивающих напряжений и воспроизводит эту информацию при последующей разгрузке. На основе исследований, проведенных в рамках первого и второго этапов проекта, был сформулирован ряд методов контроля позволяющих производить непрерывный мониторинг растягивающих напряжений в кровле горных выработок и сводах тоннелей, а также оценивать приращения девиатора компонент сложного напряженного состояния в приконтурной области массива, вызванного ведением горных работ. Обоснование параметров реализации метода произведено на примере очистной выработки СКРУ-3 ОАО «Уралкалий» на основе компьютерно моделирования. Для аппаратурного обеспечения предложенных методов был разработан портативный электронный блок регистрации акустической эмиссии, позволяющий сохранять результаты измерений на внешний носитель, а также производить сигнализацию о превышении напряжениями заранее заданного критического порога.

 

Публикации

1. Николенко П.В. Аппаратурное и методическое обеспечение контроля сложного напряженного состояния массива с использованием эффектов памяти в упругих композиционных датчиках Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал), № 2. С. 97-104. (год публикации - 2019) https://doi.org/10.25018/0236-1493-2019-02-0-97-104

2. Николенко П.В., Чепур М.Д. Об использовании акустико-эмиссионных эффектов в композиционных материалах для оценки динамики напряженно деформированного состояния массива в окрестностях горной выработки Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал), № 12. С. 134-141. (год публикации - 2018) https://doi.org/10.25018/0236-1493-2018-12-0-134-141

3. Николенко П.В., Чепур М.Д. Spectrum analysis of stress memory effects in acoustic emission in composites for the ground control purposes Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал), № 5. С. 129-135. (год публикации - 2018) https://doi.org/10.25018/0236-1493-2018-5-0-129-135

4. Николенко П.В., Шкуратник В.Л., Чепур М.Д. Акустико-эмиссионные эффекты при растяжении композитов и их использование для контроля состояния кровли горных выработок Горный журнал, № 1. С. 13-16. (год публикации - 2019) https://doi.org/10.17580/gzh.2019.01.03

5. Шкуратник В.Л., Николенко П.В. Spectral Characteristics of Acoustic Emission in Carbon Fiber-Reinforced Composite Materials Subjected to Cyclic Loading Advances in Materials Science and Engineering, Volume 2018, 2018, Article number 1962679 (год публикации - 2018) https://doi.org/10.1155/2018/1962679

Возможность практического использования результатов
Результаты проекта можно считать практико-ориентированными. На базе проведенных лабораторных исследований был сформулирован ряд методов геоконтроля, направленных на оперативное получение информации, о действующих в массиве напряжениях. Разработанное методическое и аппаратурное обеспечение создает основу для внедрения одного или нескольких предложенных методов в качестве элементов обеспечения безопасности на подземных сооружениях. Предложенные методы контроля обладают потенциально низкой себестоимостью проведения измерений (стоимости композиционных включений и простейших электронных схем, работающих по пороговому принципу, сравнительно невелики). Однако следует понимать, что для реального внедрения предстоят этапы промышленных испытаний и серьезной доработки аппаратурного обеспечения.