Analiza emisji akustycznej zarejestrowanej podczas ściskania próbek piaskowca i węgla

• Autorzy: Gawryś J. , Krzysztoń D.

Warianty tytułu

EN

Analysis of the acoustic emission registered during compression of sandstone and coal samples

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

Przeprowadzono badania eksperymentalne nad własnościami mechanicznymi i akustycznymi typowych skał karbońskich podczas jednoosiowego i trójosiowego ściskania. Próbki skalne ściskane były w sztywnej maszynie wytrzymałościowej MTS-810 New. W przypadku trójosiowego ściskania próbkę umieszczano w komorze ciśnieniowej 70 MPa. Parametrami eksperymentu były prędkość odkształcenia podłużnego próbki skalnej o wartości rzędu 10/-4 i 10/-2 s/-1 oraz ciśnienie okólne o wartości p = 0, 10, 20, 30 i 50 MPa. Wyniki pomiarowe przedstawiają wykresy całego procesu ściskania próbki i rejestracji emisji akustycznej. W niniejszej pracy przedstawiono wyniki uzyskane z badań piaskowca drobnoziarnistego i węgla. Załączono wykresy uzyskane w jednoosiowym ściskaniu próbek skalnych, przy zastosowaniu dwóch różnych prędkości odkształcenia (10/-4 i 10/-2 s/-1) dla piaskowca i węgla, oraz wykresy trójosiowego ściskania przy dwóch różnych prędkościach odkształcenia dla piaskowca i węgla. Wykazano, że parametry charakteryzujące emisję akustyczną (liczba i amplituda impulsów) oraz ich rozkład względem charakterystyki naprężeniowo-odkształceniowej dla każdego typu litologicznego skały zależą od parametrów eksperymentu. Z przeprowadzonych badań wynika, że zjawiska akustyczne występujące podczas ściskania próbek skalnych mają inny przebieg w piaskowcu (w skałach płonnych) i w węglu. Analiza otrzymanych wyników wykazała, że na aktywność akustyczną mają wpływ zarówno ciśnienie okólne, jak i prędkość odkształcenia próbki. Wzrost tych parametrów wpływa na wzrost skumulowanej liczby impulsów w piaskowcu i na zmniejszanie się skumulowanej liczby impulsów w węglu.

EN

Experimental investigation on rock mechanical and acoustic properties during the uniaxial and conventional triaxial compression has been conducted. The typical Carboniferous rock samples collected from the Upper Silesian Coal Basin were tested. The rock samples of diameter 30 mm and height 60 mm were compressed in a stiff testing machine. In triaxial compression a 70 MPa pressure chamber was used. The parameters of experiments were the rate of longitudinal strain rate of samples (10/-4 and 10/-2 s/-1) and the confining pressure (0, 10, 20, 30, 50 MPa). The acoustic emission was registered by a Bruel and Kjaer device. The piezoelectric transducers were used for converting vibrations caused by fracture process during the uniaxial compression and triaxial compression. The output voltage of these transducers was proportional to the acceleration of vibrations. The results of measurements are shown in diagram of rock compression in a stiff testing machine and on a diagram of acoustic emission registration during the complete process of compression and failure. The results obtained from the investigation of fine-grained sandstone and coal are presented in this work. For each experiment the cumulated value of impulses and the energy expressed by a sum of squared amplitudes were determined. Those values were related to the strain of a sample at the assumption that 100% of strain corresponds to the value of critical load (pressure). It was shown that the parameters of acoustic emission (the number and amplitude of registered impulses) and their distribution in relation to the stress-strain characteristic depend on the parameters of experiment (strain rate and confining pressure) as well as on the type of the rock. The frequency analysis was conducted for the chosen impulses of the cumulated activity diagram, referred to the stress-strain characteristic. The values of the obtained magnitudes: amplitude of spectrum, dominant frequency and time of impulse duration are presented for sandstone and coal samples correspondingly in tables. The analysis of the obtained results has shown that the increase in strain rate and in confining pressure influence the increase of acoustic parameter in sandstone and on the contrary, the decrease of this parameter in coal. It was observed that the influence of strain rate on the investigated acoustic magnitudes is greater then that of the confining pressure.

Słowa kluczowe

PL

sztywna maszyna wytrzymałościowa; komora wysokociśnieniowa; charakterystyka naprężeniowo-odkształceniowa; aktywność akustyczna; widmo amplitudowe

EN

stiff testing machine; high pressure chamber; stress-strain characteristic; acoustic activity; amplitude spectrum

• Wydawca: Wydawnictwa AGH
• Czasopismo: Górnictwo i Geoinżynieria
• Rocznik: 2007
• Tom: R. 31, z. 1
• Strony: 9--33
• Opis fizyczny: Bibliogr. 28 poz., rys., tab., wykr.

Twórcy

autor

Gawryś J.

• Główny Instytut Górnictwa, Katowice

autor

Krzysztoń D.

• Wydział Górnictwa i Geoinżynierii, Akademia Górniczo-Hutnicza, Kraków

Bibliografia

• [1] Amitrano D., Hantz D.: Acoustic emission of jointed and intact granite during triaxial compression test. Mechanics of jointed and faulted rock. Rossmanith (ed.), Balkema, Rotterdam, 1998, 375-380
• [2] Bukowska M: The influence of strain rate on indices of rock bump susceptibility. Archives of Miting Sciences 45, 1,2000,23-45
• [3] Bukowska M.: Własności pokrytyczne skał karbońskich Górnośląskiego Zagłębia Węglowego w warunkach zmiennych prędkości odkształcenia i ciśnień okólnych. Archiwum Górnictwa, vol. 48, nr 4, 2003, 561-575
• [4] Buben J., Kozak J.: Acoustic emission in loaded sandstone specimens as a precursor of sudden failure. Publs. Inst. Geophys. Poi. Acad. Sc, M-22 (310), 1999, 347-350
• [5] Butt S.D., Calder P.N.: Experimental procedures to measure volumetric changes and microseismic activity during triaxial compression tests. Int. J. Rock Mech. Min. Sci., vol. 35, 1998, 249-254
• [6] Cox S.J.D., Meredith P.G.: Microcrack formation and material softening in rock measured by monitoring acoustic emission. Int. J. Rock Mech. Min. Sci. S Geomcch. Abstr., vol. 30, No 1, 1993, 11-24
• [7] Dubiński J., Wierzchowska Z: Pomiary aktywności mikrosejsmologicznej w aspekcie odprężania górotworu i przewidywania tąpań. Problem Uczelniany Nr 7.1, część I, AGH Kraków, 1980, 134-182
• [8] Gawryś J.: Aktywność sejsmoakustyczna w procesie ściskania próbek skalnych. Materiały Sympozjum WARSZTATY 2002 z cyklu „Zagrożenie naturalne w górnictwie". Kraków, Wyd. IGSMiE PAN, 2002
• [9] Heo J.S., Chjo H.K., Lee CI.: Measurement of acoustic emission and source location considering anisotropy of rock under triaxial compression. Rock Mechanics — a Challenge for Society. Sarkka & Eloranta (eds.), Swets $ Zeutlinger Lisse, 2001, 91-96
• [10] Kornowski J.: Podstawy aktywnych sejsmoakustycznych metod oceny zagrożenia lokalnym zniszczeniem górotworu. Prace Naukowe Głównego Instytutu Górnictwa, No. 793, Katowice, 1994
• [11] Krzysztoń D.: Frequency analysis of ultrasonic waves propagated in jointed rock block. Archiwum Górnictwa, t. 31, z. 2, 1986,359-382
• [12] Krzysztoń D., Sanetra U., Szedel D.: Krytyczne i pokrytyczne własności próbek skalnych badanych w konwencjonalnym trójosiowym ściskaniu w sztywnej maszynie wytrzymałościowej. Prace Naukowe GIG, Seria Konferencje, nr 26, 1998, 69-80
• [13] Krzysztoń D., Bukowska M, Gawryś J., Sanetra U., Wadas M.: Pokrytyczne własności skał w trójosiowym stanie naprężenia sygnalizowane emisją akustyczną. Projekt badawczy KBN, nr 9T12A033 18, Główny Instytut Górnictwa, Katowice, 2002
• [14] Krzysztoń D.: The influence of fricion force on the post-critical failure of rock samples subjected to triaxial compression. Archives of Mining Sciences 50, Issue 4, 2005, 517-536
• [15] Kurzeja J.: Analiza widmowa wybranych impulsów sejsmoakustycznych. Laboratorium Sejsmoakustyki Głównego Instytutu Górnictwa, Katowice 2002 (niepublikowana)
• [16] Majewska Z, Marcak H.: Przepuszczalność i emisja akustyczna węgla i skał towarzyszących w trójosiowym stanie naprężenia. Górotwór jako ośrodek wielofazowy. Tom II, Wyd. Kraków AGH, 1990, 233-246
• [17] Majewska Z: Zmiany emisji akustycznej w procesie rozwoju deformacji skał. XXIII Zimowa Szkoła Mechaniki Górotworu, Katedra Geomechaniki Górniczej i Geotechniki, Kraków AGH, 2000, 291-307
• [18] Mc Cabe W.M.: Acoustic emission in coal: a laboratory study. Proceedings Second Conference on acoustic emisssion/microseismic activity in geological structures and materials. Ed. H. Reginald Hardy, Frederick W. Leighton, Trans.Tech.Publications, USA, 1980, 35-51
• [19] Minh V.C.: Energy analysis of deformation and fracture of rocks. Rozprawa habilitacyjna. Wydział Geologii Uniwersytetu Warszawskiego, Warszawa, 1989
• [20] Nordlund E., Li C: Acoustic emission and Kaiser effect in rock materials. Rock Mechanics Contributions and Challenges, Balkema, Rotterdam, 1990, 1043-1050
• [21] Opilski A., Witos F.: Możliwości zastosowania emisji akustycznej w górnictwie. Problemy współczesnej akustyki. Red. Ranachowski, Wyd. IPPT PAN, Warszawa, 1991
• [22] Pinińska J.: Emisja akustyczna ośrodków skalnych w stanach naprężeń pokrytycznych. Przegląd Geologiczny, vol. 40, nr 12, 1992, 727-733
• [23] Pinińska J.: Wskaźnik mobilizacji emisji akustycznej jako efekt degradacji wytrzymałości skały. XXIII Zimowa Szkoła Mechaniki Górotworu, Katedra Geomechaniki Górniczej i Geotechniki AGH, Kraków, 2000, 355-362
• [24] Sanetra U.: Wpływ ciśnienia bocznego na własności mechaniczne skał Górnośląskiego Zagłębia Węglowego w warunkach trójosiowego ściskania. Prace Naukowe Instytutu Geotechniki i Hydrotechniki Politechniki Wrocławskiej, nr 65, seria Konferencje, nr 33, 1994, 183-191
• [25] Sanetra U.: Określenie nośności filarów oporowych w stanie pokrytycznym na podstawie badań trójosiowego ściskania karbońskich próbek skalnych. Praca doktorska. Główny Instytut Górnictwa, Katowice, 2004
• [26] Sokołowski H:. Obserwacje sejsmoakustyczne próbek skalnych — sprawozdanie z przeprowadzonych badań. Laboratonun Sejsmoakustyki Głównego Instytutu Górnictwa, Katowice, 2001 (niepublikowana)
• [27] Waśko A.: Opracowanie programu komputerowego dla wczytania przebiegów sejsmoakustycznych z taśmy do komputera. Laboratonun Sejsmoakustyki Głównego Instytutu Górnictwa, Katowice, 2002, (niepublikowana)
• [28] Zuberek W. M.: Wykorzystanie efektu emisji sejsmoakustycznej w geotechnice. Publications of the Institute of Geophysics, Polish Academy of Sciences M-l 1 (214), PWN Warszawa, 1988