Результаты исследования свойств известняка карьера Ак-Татыр и влияния СВЧ волн на его структурное состояние

Электрические свойства используются для контроля состояния массива горных пород, подвода электромагнитной энергии к породе и т.д. Поскольку электромагнитная энергия сравнительно дешева и весьма удобна в практическом использовании, то, очевидно, что электрические методы контроля и воздействия на горные породы будут широко использоваться и интенсивно развиваться.

Одним из эффективных способов разупрочнения крепких горных пород является воздействие мощных электромагнитных излучений с высокими частотами (СВЧ) облучения. При этом, на наш взгляд, решающее значение имеет время воздействия СВЧ волн.

Для ослабления прочности породы используются термомеханические напряжения, получающиеся при местном нагревании породы, а также вследствие различия физических свойств минералов, составляющих данную породу. Нами были исследованы акустические и деформационные свойства известняка в исходном состоянии и после воздействия СВЧ волнами. Результаты этих исследований приведены в табл. 1 и 2.

В качестве объекта изучения были взяты цилиндрические образцы известняка (Ак-Татыр). Для облучения использовалась простейшая СВЧ - печь. Длительность облучения изменялось от 1 до 9 мин через каждый 2 мин. Как известно, микроволны СВЧ облучения представляют собой форму энергии, аналогичную электромагнитным волнам, используемым в радио- и телевизионном вещании и обычному дневному свету. Обычно электромагнитные волны распространяются наружу через атмосферу и исчезают в пространстве без следа. Однако в микроволновых печах имеется магнетрон, который сконструирован таким образом, чтобы можно было использовать энергию, содержащуюся в микроволнах. Электричество, проводимое магнетрону, используется для генерации микроволновой энергии. Микроволны проникают в зону воздействия через отверстия внутри печи и не могут проникать через металлические стенки печи, в печи можно выбирать 5 уровней микроволновой мощности. Нами использован уровень мощности – 700 Вт. Частота микроволн – 2450 МГц. Цилиндрические образцы горной породы с диаметром 36 и продольным размером 70 мм помещались во внутрь печи и облучались СВЧ - импульсами.

Таблица 1. Акустические и деформационные характеристики известняка (Ак –Татыр, исходное состояние) до СВЧ облучения

Номер образца

Скорость продоль- ной волны, м/с

Скорость попе- речной волны, м/с

Коэф. Пуассона

Модуль упругости, Е·104 МПа

Модуль объемной упругости,

К·104

МПа

Модуль сдвига, G·104,

МПа

Акусти- ческая жест- кость А·106,

кг

сек  м2

 

5500

2062,5

0,4181

3,4869

2,4725

0,6762

15,895

5500

2062,5

0,4181

3,4266

2,4297

0,6645

15,62

5583,3

2030,3

0,4238

3,2984

2,3481

0,6335

15,689

5583,3

2030,3

0,4238

3,2867

2,3398

0,6312

15,633

5583,3

2030,3

0,4238

3,2984

2,3481

0,6335

15,689

5307,6

2029,4

0,4143

3,3086

2,3398

0,6458

15,073

5384,6

2121,2

0,4081

3,6495

2,5695

0,7199

15,507

5384,6

2058,8

0,4143

3,4292

2,4251

0,6694

15,4

5538,4

2117,6

0,4143

3,6660

2,5926

0,7156

16,006

5538,4

2057,1

0,4199

3,4492

2,4489

0,6668

15,895

Продолжение табл. 1

Среднее

             

значение

5490,4

2060,012

0,418

3,43

2,43

0,665

15,65

Средне

             

квадратическое

             

отклонение

92,993

32,669

0,0049

0,133

0,088

0,03

0,25

Коэффи-

             

циент

1,694

1,586

1,176

3,88

3,63

4,56

1,65

вариации, %

             

Как видно из табл. 1 и 2 при воздействии на образцы СВЧ волн происходят неоднозначные изменения деформационных и акустических свойств. Например, скорости прохождения продольной волны уменьшаются, а скорости поперечной волны увеличиваются, и поэтому происходит увеличение модуля упругости и уменьшение коэффициента Пуассона после воздействия СВЧ волн.

Таблица 2. Акустические и деформационные характеристики известняка (Ак –Татыр) после СВЧ облучения

Номер и режим СВЧ

облучения образца

Скорос- ть продол ьной вол ны,

м/с

Скорос- ть попе- речной волны, м/с

Коэф.. Пуассона

Модуль упругости, Е·104 МПа

Модуль объем- ной упругос- ти, К·104 МПа

Модуль сдвига, G·104, МПа

Акусти- ческая жесткость А·106,

кг сек  м2

№1-выдержка

4714,2

2200

0,369

3,806

2,590

0,811

13,624

1мин

             

№2- выдержка

4714,2

2200

0,361

3,740

2,545

0,797

13,388

1мин

             

№3- выдержка

4785,7

2233,3

0,361

3,814

2,595

0,812

13,447

3мин

             

№4- выдержка

4785,7

2161,2

0,372

3,588

2,461

0,751

13,4

3мин

             

№5- выдержка

4785,7

2161,2

0,372

3,601

2,470

0,754

13,447

5мин

             

№6- выдержка

4600

2225,8

0,347

3,791

2,553

0,824

13,064

5мин

             

№7- выдержка

4666,6

2258,1

0,347

3,956

2,664

0,861

13,44

7мин

             

№8- выдержка

4666,6

2187,5

0,359

3,720

2,528

0,794

13,346

7мин

             

№9- выдержка

4800

2250

0,359

3,977

2,702

0,849

13,872

9мин

             

Ниже приводятся характерные результаты исследования изменения структурного состояния известняка после воздействия на образцы данной породы мощных полей сверхвысоких частот (СВЧ). Особое внимание было уделено к изменению структурного состояния, а именно остаточных напряжений. При этом для анализа рассмотрены изменения ультразвукового показателя напряжения - разность времени прохождения поляризованных ортогональных поперечных волн, так как установлено, что указанная разность отражает величину и знак остаточных напряжений [1,2].

Графики ультразвукового показателя остаточного напряжения до (1) и после (2) СВЧ облучения (1мин.известняк Ак-Татыр, Баткенская обл., обр.1)

1

0,8

Разность времени прохождения ортогональных поляризованных волн, мкс

0,6

0,4

0,2

Ряд1

Ряд2

0

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200

-0,2

-0,4

-0,6

Угол поворота по сечению образца, градус

Графики ультразвуковых показателей остаточных напряжений до (1) и после (2) СВЧ облучения (3 мин.известняк, Ак-Татыр, обр.3)

0,6

Разность времени прохождения ортогональных поляризованных волн, мкс

0,4

0,2

0

-0,2 0 50 100 150 200

-0,4

-0,6

Ряд1 Ряд2

Угол поворота по сечению образца, градус

Рис. 1. Графики изменения показателя остаточных Рис. 2. Графики изменения показателя остаточных напряжений напряжений

0,4

0,3

Разность времени прохождения поляризованных поперечных ортогональных волн, мкс

0,2

0,1

0

-0,1

График ультразвукового показателя остаточных напряжений до СВЧ облучения (известняк Ак-Татыр, Баткенская бл.обр. 7)

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200

График ультразвукового показателя остаточны х напряжений после СВЧ облучения (7 мин.известняк Ак-Таты р, Баткенская обл., обр. 7)

0,3

0,2

Разность времени прохождения поляризованных

поперечных

0,1

0

-0,2

-0,3

-0,4

-0,1

-0,2

-0,3

-0,4

0 100 200

-0,5

Угол поворота по сечеию образца, градус

Угол поворота по сечению образца, г

а) б)

Рис. 3. График изменения показателя остаточных напряжений: а) до СВЧ облучения, б) после СВЧ облучения

Из рис. 1 – 3 видно, что время воздействия СВЧ волн оказывает неоднозначное влияние на структурное состояние – на показатель остаточного напряжения данной породы (при разных положениях поворота вектора поляризации - от 0 до 1800 через интервал по 300). Наиболее существенное снижение ультразвукового показателя напряжения происходит при воздействии СВЧ волн в течение 3 мин (рис. 2). Это, по видимому, обусловлено тем, что при более длительных воздействиях СВЧ волн происходит выравнивания температуры, когда сводится к минимуму термические напряжения, а при оптимальной короткой продолжительности воздействия этих волн возникшие термонапряжения обуславливают снижение существующих остаточных напряжений.

ЛИТЕРАТУРА

  1. Тажибаев К.Т., Акматалиева М.С., Тажибаев Д.К. Способ определения остаточных напряжений в твердых материалах / Патент № 1245 КР от 26 февраля 2010 года.
  2. Тажибаев К.Т., Акматалиева М.С., Тажибаев Д.К. Результаты исследования остаточных напряжений в твердых материалах поляризованными ультразвуковыми волнами //Вестник Кыргызско-Российского Славянского университета 2008,том 8, №10 с 71-80, Бишкек.

 

Год: 2011
Город: Алматы
loading...