peHTreHOBCKoi:1 cp11yopec1...1eH1..t11u.1 c .i:u1cnepc1.1ei:1 3Heprn1.1. B nosepxHOCTHblX 1.1 nOA3eMHblX BOAaX Bbrwe nopora ,YYBCTB1.1Te11bHOCT1.1 3Toro ·MeToAa HaxoA1.1111.1cb: Cd, Cu, Zn, Sb, Mn, Fe, Ba, Rb 1.1 Sr, a A"1ana30H onpeAeneHHblX KOH1..teHTpa1..t1.1i:1 np1.1BeAeH B Ta6. 4. V1HTepnpeTaL.t"1R KOH-1..teHTpa1..tr.1H Mr.1KpOKOMnOHeHTOB 6b111a npoBeAeHa c. yye-TOM np1.1pOAHOro r1.1Aporeo11or1.1yecKoro pai:10H1.1posaH1.1R "1CCJleAOBaHHOi:1 Tepp1.1Top1.11.1. 5b1Jla o6Hapy>t<eHa
TeHAeH-Lt"1R K pacnpocTpaHeH1.1t0 CaMblX H"13K"1X KOH1..teHTpa1.41.1i:1 B TaTpr.1HCK"1X BOAaX. npoBeAeHHaR OLleHKa KOH1..teHTpa1.41.11.1 Mr.1KpOKOMnOHeHTOB B nosepxHOCTHblX "1 nOA3eMHblX BO-AaX 5enoro ,lJ,yHai:11..ta yKa3blBaeT Ha TO, YTO KOHL.teHTpa-1..tr.1"1 Zn, Sb, Cd B 6011bwoi:1 cTeneH1.1 06yc11os11eHb1 aH-TponoreHHblMl.1 cpaKTopaMl.1, 3aTO 3T"1 cpaKTOpbr npaKTl.1-YeCKl.1 He OKa3aJlr.1 BJ1"1RH"1R Ha BeJlr.1Y"1Hbl KOH1..teHTpa1..t1.11.1 Cu, Ba, Sr 1.1 Rb.
HANNA MAZURKIEWICZ
Polska Akademia Nauk
ANALIZA WIDMOWA EMISJI
AKUSTYCZNEJ
DOLOMITÓW I PIASKOWCÓW
LEGNICKO-GLOGOWSKIEGO
OKRĘGUMIEDZIOWEGO
Zmiany widma sygnałów emisji akustycznej (EA) w procesie jednoosiowego ściskania skał badano dotych-czas .ż zastosowaniem różnych metod (1, 8) i w różnych pasmach częstotliwości. Niemniej jednak, nawet dla po-dobnych skał i pokrywających się zakresów częstotliwo ści można zauważyć podstawową rozbieżność w otrzyma-· nych wynikach. Y.P. Chugh i in. (1), poddając próbki piaskowca i wapienia jednoosiowemu ściskaniu, stwier-dzili przesunięcie maksymalnych amplitud w widmach EA od niskich do wysokich częstotliwości, w miarę rosnącego poziomu naprężeń. Podobne rezultaty otrzy-mali również inni autorzy w szerszym paśmie częstotliw( 1 • ści dla piaskowca, granitu i marmuru (14). M.C. Reymonu i in. (11) dla próbek wapienia zaobserwowali przesu-nięcie maksimum amplitud w widmie od niskich do wysokich częstotliwości poniżej 86% wartości siły nisz-czącej, natomiast powyżej tej wartości - spadek am-plitud wysokich składowych widma. Odmienne wy-niki od przedstawionych otrzymali R.M. Koerner i in. (3) dla granitu, W.M. McCabe (5) dla węgla, M. Ohnaka i in. (7) dla granitu i andezytu, stwierdzając przesunięcie maksymalnych amplitud w widmach EA od wysokich do niskich częstotliwości.
Jednym z wielu problemów występujących w analizie widmowej sygnałów emisji akustycznej skał, wpływają cych na duże zróżnicowanie otrzymywanych wyników jest bardzo duża liczba rejestrowanych sygnałów, spośród
których wybiera się często tylko część do dalszej analizy. Jedn0cześnie ze względu na duże zróżnicowanie struktury próbek skalnych wskazane jest wykonywanie badań EA dla jak największej liczby próbek, o możliwie zbliżonych właściwościach fizycznych.·
W niniejszej pracy przedstawiono rezultaty analizy widmowej wszystkich sygnałów emisji akustycznej, zare-jestrowanych w procesie jednoosiowego ściskania pięć dziesięciu próbek dolomitu i piaskowca.
METODYKA POMIAROWA
Badania wykonano na próbkach dolomitu i piaskow-ca z Legnicko-Głogowskiego Okręgu Miedziowego. Były to próbki cylindryczne i sześcienne: szarego dolomitu z serii dolomitowo-wapiennej oraz drobnoziarnistego piaskowca o spoiwie · węglanowo-ilastym 1
. Wszystkie
1 Oznaczenia rodzajów skał wykonano w Inst. Nauk
Geologicznych PAN, Warszawa.
UKD 550.834:(552.513
+
552.543).(438.262)próbki wycięto prostopadle do kierunku rdzenia wiert-niczego. Przed przystąpieniem do badań EA zeszlifowano ich powierzchnie oraz zmierzono wymiary. Jako badanie identyfikacyjne do oceny właściwości skały, dla każdej
z próbek zmierzono prędkość propagacji fali podłużnej.
Następnie, przy użyciu ręcznej prasy hydraulicznej, prób-ki poddawano jednoosiowemu 8ciskaniu. Kierunek siły
ściskającej był równoległy do kierunku rdzenia,
nato-miast jej wartość zwiększano liniowo aż do zniszczenia próbki, z prędkością 10 kN/min. Do odbioru sygnałów
emisji akustycznej stosowano akcelerometr o płaskiej charakterystyce częstotliwości w zakresie do 40 kHz.
Badania EA przeprowadzono za pomocą aparatury AE-2 wykonanej w Pracowni Geoakustyki IPPT PAN. Przy użyciu pisaka X-Y rejestrowano gęstość zdarzeń sygnałów emisji akustycznej i ich energię zsumowaną w interwałach jednosekundowych. Jednocześnie wszyst-kie sygnały rejestrowano na taśmie magnetofonowej za pomocą szerokopasmowego, siedmiokanałowego mag-netofonu typu RA CALL. Sygnały te następnie analizowa-no z wykorzystaniem analizatora częstotliwości Bru-el & Kjaer w zakresie częstotliwości 4-40 kHz. Umoż liwiał on bieżącą analizę sygnału i natychmiastowe uzys-kanie obrazu widma na ekranie oscyloskopowym. Anali-zowano wszystkie zarejestrowane sygnały w interwałach dwudziestoczterosekundowych. Otrzymane widma wy-padkowe przedstawiają maksymalne wartości amplitud poszczególnych składowych w badanym przedziale czasu. Są to znane z literatury widma szczytowe (9). Każde widmo szczytowe emisji akustycznej jest zatem scharak-teryzowane przez odpowiadający badanemu przedziało wi czasu zakres wartości względnych obciążeń2 bądź
równych im - wartości względnych naprężeń3. Ze
względu na bardzo dużą liczbę uzyskanych danych opracowano program do przetwarzania numerycz-na-graficznego wyników analizy widmowej sygnałów EA do postaci dogodnych do ich dalszej analizy.
WYNIKI POMIARÓW
Na podstawie przeprowadzonych badań EA stwier-dzono, że w kilku wyróżnionych niżej przedziałach
2
Stosunek wartości chwilowej siły (R) do wartości siły niszczącej (Rm ).
3 Stosunek wartości chwilowej naprężenia (6) do
g ,.., I dB ~I I I I O-· ~ til I .,_,, ~l< ._,.. I <I>..;~ <ii-... I tłlooii:-i:i"si:= I <ii-tii= =!? ::;~
o 0-· •ilo a!? -.l!io >!'• .oi? -::- ojjo ,._,. -l)a l!\ ..;.· l -ii--tli-~? -li= <? -ii--1;. ą)i >IP
..:;t- I •iio ollo o!? •1::0 iii= <li-:(i<- .:;:. >ltii
a
I >IP-t!a<P·.;ia <ii:<!:Om;Ji:,:it -łi-1 <l?=IP-iioroii= .;!o='!>:lfi:-li>"i?
O-· r,;. <l= tłi--!i= ~i= >ii= •fi• ołio all>
MI =O• ołi= ~? ~? -ii> <i? -li>.;;. a!?
! •ii< ~? o(jo -il-i ~;: -"i~ <i> ot!: ~i= I >łiool>11?2i> <!i>:??=i!>oiio<i? I -l><iJ:ooiiso!I= tli::o!?<Ęioi:i><i? O-· <liio o!iw ooli-<io of? <€iii: ::fp -i> -1;.
C'·~ I >!" o!? <? O::> ..:~ ą:- 'i~ ..:;;. :.;!" I •!? <P -!~ o;!i= oiia e;. =::!• -'ii< ::ii= I •Ir .;;. .:;!- ..:;., "1? :<;. ~1' >=:i= :..;;.
I •iJo .;!-' <tir: <i~ 211>-1.f~ 9F ..;;.: "io ~-· ·-· -· -· -· -.('·JM~Lf1,,,,.)f"..0JO-O ':'""i l.1..Ll..LLLi_l..!....Li...!.J..L!...!.:...Li...:.!. dB g o o o t'J -.[) o ('·~ o-· b ~!i= <• <F tiF O:!= ~,· -il> ~; 'ł""łC"·JM~ l{')..t::;"' ro o-. o ... LLLLLLLl_!.l...U-tLLLLL!...J...LL.
Ryc. 1. Wzdma szczytowe sygnałów EA w I fazie odkształcenia
próbek piaskowca, F 1-Fl1 - .frodkowe częstotliwości pasma,
odpowiednio: 4,0, 5,0, 6,3, 8,0, JO,O, 12,5, 16,0, 20,0, 25,0,
31,5, 40,0 kHz, a - dla próbki nr 2 w zakresie wartości względ
nych obciążenia 0,00-0,06, b - dla próbki nr J w zakresie
wartości względnych obciążenia 0,00-0,15
Fig. 1. Culminant spectra of the signals EA in phase I of
deformations of sandstone samples, F 1 - Fl 1 - mean freąuency
hands: 4.0, 5.0, 6.3, 8.0, JO.O, 12.5, 16.0, 20.0, 25.0, 31.5, 40.0 kHz
respectively, a - for the sample no. 2 within relative values of
loading equal 0.00-0.()6, b - for the sample no. 3 within relative
values of loading equal 0.00-0.15
.-1 NM ·:t ltl--Or'- CD 0--~::::: a Ll.Ll.Ll.Ll.Ll.Ll.Ll.Ll.Ll.Ll.Ll. dB~
l
;~, 'i~· _ _, C,• -!;1v '41< ..-1 I ~; <lło -:;. ...-I tir o!io ~;. ~>'I ~;. o\i' o!!" <ih....,..
! ..;)< oiP oitt r,~ ,-:;.. o -· -· -· -· -· -· -· -· -· -· -· -· -· -· dB" o ,.., <> ~ ~~ Jj)oP,jolojjo
-
-o!Jot(jo.t(!o "'"'"'"-iJooilo o -·· -· -· -· -· -·· -· -· - -· -· -· -dB~: O-· I') 0-.,.-i f\I M -.;t i.i1 -.o I ' OJ O-~:::::
U..LLiLL;...LLL.LU...tl..ll..U..l:... C·I i .\j. •• l -:;. . ; ; -ł '(f< o!io -ii-..._. l '11>-11"•.,•oilo O-· "ilo o!F .;p. ..;t•...,.. n i ':>' r,) -i? .;i< <t•
! 'f!o 'H' •li• .0:/" •I!• '1)<
: •f• •i!< •'.i• -ii< "iii "~ ..;~
I ~jt •il• r,;. .;y. >il• :<iJo ojjo
c:;: ---· -· -· -· -· -· -· -· -· -- -· -· -
-b
c
.-1 l"'-~ o•"J ·;r t;"j ~ r' o:.: o..~:, L... l.;,.. L u...1..;...1.;._ ~i.:.. 1.o..• .... _ U..
~-1 ("! l'"J •. ,. !fi ....:i,... CJ (}-
s
~~ :.._lr...U.l.:..i.;..ll..L:_!.i,.L..LLL.:. d .~ dB 'f e o n o-f "'" i ~i· ...,,. .:~ o -· -· -· -· -· ·-· -· -· -· -· -· -· ·-· -· ... , r.i r'J -~ 1n -c r--.. co()'~::::!J.. LL LL U.. I.i... k l.J... LL u. Li... il_
"' ,., dB,:;.: o
l
.
i") o N ... ..._. „„„:-oiiJo ...,. •O• '1P - "'-" -!~ ·~· ...,. o!~-o:!o o!P o!;. tii:->!)o •l!• "i" -i~ wiio -!?-..:1o >;1
~"' 'i• -fi> "'~ 11' oł!o 'I~ l(jo -!:• ' • .:.;. o -ii-11:. -i~ oilt -?" "'"' .;,. -.i:-·~· >'.r • ·· .... .i 1 -"lfl'4i<oii-oltr-!l".;;..1r"'1ii<Jo•'!roi!" 1 "~ "'"' •Cl• "!-o!i': .;i.. >(Io -ii- .;;. •'.„ -!.k
I o1;.11„;;..o11:-t1<>i!o-ll<'il<otlo•!;o·!Jo 1 ~r -i~ ;I" -1r ,1-o!~ "'~ ;1-..:„ -it-·r·
o -· -· -·· -· -· -· -· -· -·· -·· - . -· -· -·
... ('~ ,.,) ~ 1.1; '°I'-co O'-(> .-i Li... li. !J. LL li~ U... Li... l;.. lL [;_: ;:
f
Ryc. 2. Wzdma szczytowe sygna!ów EA w różnych fazach odkształ
cenia próbki dolomitu (nr 13), F 1 - F 11 - środkowe częstotliwo
ści pasma, odpowiednio: 4,0, 5,0, 6,3, 8,0, 10,0, 12,5, 16,0, 20,0,
31,5, 40,0 kHz, zakres wartości względnych obciążenia: a
-0,00-0,03, b - 0,03- 0,06, c - 0,81-0,84, d - 0,84-0,87,
e - 0,93-0,96,f- 0,98-1,00
Fig. 2. Culminant spectra of signals EA in various deformation
phases of a dolomite sample (no. 13 ), Fl -Fll - meanfrequency
hands: 4.0, 5.0, 6.3, 8.0, JO.O, 12.5, 16.0, 20.0, 31.5,and 40.0 kHz
respectively, range ofrelative values of loading: a - 0.00-0.03,
b - 0.03-0.06, c - 0.81-0.84, d - 0.84-0.87, e -0.93-0.96, f - 0.98-1.00 o ~-, OJ o (..' ::;;
wartości względnych przyłożonej siły, widma szczyto
-we sygnałów EA zarejestrowane w czasie
jednoosio-wego ściskania próbek dolomitu i piaskowca LGOM,
charakteryzują się przewagą niektórych składowych
częstotliwości. Inaczej mówiąc, każdemu z tych
za-kresów odpowiada pewien określony przebieg zmian
poszczególnych składowych w funkcji wartości względ
nych obciążenia. Ww. zakresy wartości względnych
ob-ciążenia, zwane dalej w skrócie zakresami lub fazami,
zostaną omówione na przykładzie pięciu próbek z
tab. I, dla których wybrane widma EA
przedstawio-no na ryc. 1-4. Wykorzystanie pięciu próbek przy
omawianiu poszczególnych faz ma na celu
uwydat-nienie pewnych niewielkich różnic w ewolucji widm
EA, pomiędzy próbkami o różnych właściwościach
fi-zycznych i wytrzymałościach. Przedstawione mzeJ
prawidłowości występują odpowiednio we wszystkich
zbadanych próbkach.
Na ryc. 1-4 gęstość widmowa amplitudy jest wyrażo
na w skali logarytmicznej, przy czym jednostce (krzyżyk)
odpowiadają 2 dB. Znaki w postaci „łódeczki" oznaczają
1 dB. Z lewej strony każdego wykresu znajdują się trzy
liczby oddzielone przecinkami. Pierwsza z nich oznacza
numer próbki, druga - numer porządkowy widma dla
danej próbki, trzecia - położenie zapisu na taśmie
mag-netycznej. Na osi odciętych zaznaczono częstotliwości
środkowe jedenastu pasm analizatora, tworzące system
1/3 oktawowy, począwszy od 4 kHz do 40 kHz.
Zakres I (faza I) występuje tylko dla niektórych
próbek, zwłaszcza dla próbek piaskowca. W fazie tej
wyraźnie przeważają najniższe składowe widma (ryc. la,
I dB ~1· I
:
O-· ~ : I I I o-· I') o r·i ;; ;;„.
;; ~„ .•
,,;; oCJaojjo o(joo(jo <>„
ojjll(Jio oj'"l('"ol'""'ił''4Jo... „
„
.
~·"
o<•••'"<'""
..-ł I -<1-<P.o!Joo(loo(Jo I ttl--lJo"IJ<•J•o!ł'l(Jo: I I ._. " " " " " ~pi st~ 11\)o iłi' ~<Jo<>"'<;;;<; ~ oilo -iP tl„ "ilo .CPo -· -· -· -· -· -· -· -· -· -· -· -· -· -· ~NM~l.O"-Or,o:;o...~:: a Ll_L;_Ll_Ll_C..Ll.Ll..Ll..Ll.Ll.Ll. I dB g 1· c I : o-· ~ o r·1 ;; ;; o >(~ r-.1 ~i-~;.. !lj~ .o(jo>jjl - "'~ oł)ii tfł> c '41r0:'1 V t(; llfj'i i ~~ ~~ ~~ ~~ =~ I _,;;;;._.., I ;; ;;<;;;;;;;o1; o -· -· -· -· -· -· -· -· -· -· - -· -· -· T'-ł ('\ł 1'0 ":fu:. --0 i ' OJ 0-. ~::::: Li. I.:. lL IL Li. U.. Li. U.. Li. I;.. Ll.
o o ~ o ,.., :2 dB~+ b I I I o-· u1 I I I I ~ -·
„.
<Jo .., o ;; I')„
~·· „.., t.jjiol()o o„.„.
C'J I •U• o!ło -<Jo:
I o!'"ofl-li„oł)o I of1';;;Jo>\Jooł1' I ~ ;JoołJoołJoołJo_, ~! -· -· -· -· -· -· -· -· -· -· -· -· -· -· "NM-<tti".l'°r--.cno-.~~ Ll..Ll.Ll.l;..l;..Ll.Ll.Ll..U..Ll.Ll. dB o~. d '° o 1()
..
"''"„
-:1or.;. o 1(1' ._,. ""ril--<f' -tła ~)o ...,,. JiP - -..,-oflr ołlo -tJo
""' ,;'" - -tit. tjJ.o >(Jl .j)i "'"
„„
ą.;.: .i.Jo:oJ„-l!o>ł!oti?'oilotltotl!o<Jo.oii"-iioi!to o!lo-i"'tl>tł;..tj;oijioołjl:
flr1i"o!i-tii-o .:;. ""' oil--.~ot> <„ ot"' "!Io "1Jo: oi)o l(Jo f'C".I -tt:o!!o-11.f'.-t!ł<ot!o-l)l-!Jir"iPo!"'r:lo
"''" -!)li
„„
tł:--c„ ~Jt tf)o tjj-t .;p "il-<f!o -Iła oił)I -!Io tjjl -tir "''" ,;;p ~'" oł!io: ojjr .:;.o1Jo"4.Jo<Ptfii:oilt-ot:Ooi!io"il-O:ts-!71łjJo o "''" oljoo "''" a!lo "''"<is "i!o ..;> tf~ o!Jo o!?
N I •H• '41-~is .(~ -il--IP. 1'!o ~>i li\;. -t> fi'
I i<łi' ~!· >i)r: i<i' o!!o o!!ir t!P. >i? "!lo 11,1- ~!o I
Vi!sot!t>\jiJ:.:;..-l!oof!i:oi)ll"ł.i-ilis>ł!sail-1 ljjo ojjt >łi- o(jl "';. O:!o lljjo tj]o ~jr ..:~ r.>
3 -· -·· -· -· -· -· -· -· -· -· -· -· -· -·
...-f N t<J ..:r 1<.J -.CJ !'-. OO O-. ~ ~
l.L. il.. U... U.. Li.. !..o... LL LL !J... Li.. l.L
Ryc. 3. Wzdma szczytowe sygnałów EA w różnych fazach odkształ
cenia próbki dolomitu (nr 14), F 1 - F 11 - środkowe częstotli
wości pasma, odpowiednio: 4,0, 5,0, 6,3, 8,0, 10,0, 12,5, 16,0,
20,0, 25,0, 31,5, 40,0 kHz. zakres wartości względnych obcią
żenia: a - 0,00-0,04, b - 0,16-0,19, c - 0,460,49, d
-0,49- 0,52
Fig. 3. Culminan.t spectra of signals EA in uarious deformation
phases of a dolomite sample (no. 14), F 1 - F 11 - mean.frequency
hands: 4.0, 5.0, 6.3, 8.0, JO.O, 12.5, 16.0, 20.0, 25.0, 31 .5, and
40.0 kHz respectively, range of relative values of loading: a
dB-~ a oi:: vq:. -ił= . J <'\!= ·!·: oj~ - ::i~ ~p ~:· t!l= ::i!= oi!= ~~ C:ts o!P
...-1,r·J M -.-r Lil -.o !'-CO 0-. S :~ L.~:.J...L.;....L;...LL.. L:...~IJ... Li...U. dB
~i
~I ! i c 0 -i":l; I C"·ł j ! i .,,/111;: ·:: - "„„ " T-1 [ "* i,jo .;~ ._„ - ..:.!> .;)>I ~F ::f~ •ii= >ii> .;!ie- -lP: •I::. ~i= llji" I ""-' 'I;.. oj}! :[~ <iir ~F <il= .!~ fl(J:: i\i' oljJ.
1 ..;„ :i!->lit'"" of;.: ott• >ł!' -i!o olio tf)to O•
o -· -· -· -· --- -· -· -· -· -· -· -· -· -·
•-ł („J rf"J ~· 1!1 -or-... oo°'~~
1.~ t.L LL \J... I.•~ Ll... U.. li.. li.. U... \J...
o u; dB g b o -~ o M o C·' - -1;. -l!r ą? o(~ ofjo: V o():: oj~ of~ "'" i'f)i V ..._., o(" ~~
cfJ:: o!Jo: o!F lflr o(t-<łi= -iii< -l!r cf? ::f;::
.\i= ~;. rl!= "4P -li-<łli= .;:= ol!r "!'Io -łF o -· -· -· -· -· -· -· -· -· -· -· -·
T-i r-i •""l ~~ 1.11 '° "-o;i 1)„ o .,-i L1.-U..1L..LLLi....LLu...Ll...l.L..U..Li... dB~~-d o Ul ' I I iii" „ !: •!7~ <!,: ~:- ~.!-: '-i? ':fol =.r. :.J.; •:!= ~~ - -~:z.
-:""; .;~ .... 1: <fi:: &ii' "i;-:;;i.
-.:;:- ~" ~~ ~:;· ~J:: ::!.~ ..:~ ~~
.;:o ~; • .;!-; r;p ~;.: „~):.: ~J:: ...
.;~ <iP 'i!:> <~ .;;: -;!-:1;.: ~~ .._.. ~F ~?" li!:: •ł:• <ll< -ii'-=ii= ~~ ~i'= ....,. :<is
C .ii!= ~)I OO:? i:l!= '1io :i!!= <li= ~F l'fi= ~;;>ii< M <lir ~F .;J:; o!P ='.i< <!;= =11'· •{i"-<!!:i,.,.~ >il=
ofl-ri„<t?:;:.:-1?>:!'>:.lF<i!at.i!o„.;.:.
"';:-''°:: -!? -I? ~~-"'" -~~ ~!= ~!= ~f: .::!o .:_;,
:i:O i;? ~;-. ~io <J:: ~? tfF =!? ~1" •ii-<!~ o ~jo ..:Jo ~~-rf.!.: ~io .:;;;: -:;. =fr .Jj.. <„ =ii-'
\'·~ -il< ciJ.: <\i= 4F ..:;.. rf~ ·~l-: ·~~ ~i:. <i~· '":!" q;. ~~ 4!--E!= ~;.. <? o:!io ~-' <!: .;~ ~;:
.;;: ~~ .ą-..;f; o!J:: al? :ii? :ii'<' •fr iii• =;ii<
tit: ~ ... <is .;;: =::=o :ci;.. ;.(jo .~: ~;-: <fl< ..;;,
;:; -· -· -· -· -· -· ... -·· -· -· -· -·
-.... r·J M •-:- "' --0" ro (I-o-< l•. l.J.. L!_ LL l.J.... U.. lL U.. LL U.. Li..
Ryc. 4_ Widma szczytowe sygnalów EA w różnych.fazach odkształ
cenia próbki dolomitu (nr 15 ), F 1-F11 - środkowe częstotli
wości pasma, odpowiednio: 4,0, 5,0, 6,3, 8,0, 10,0, 12,5, 16,0,
20,0, 25,0, 31,5, 40,0 kHz, zakres warto,fri względnych obcią
żenia: a - 0,60-0,64, b - 0,69- 0,73, c - 0,87-0,91, d
-0,91-0,96
Fig, 4. Culminant spectra of signals EA in various deformation
phases ofa dolomite sample (no.15 ), FI -Fl 1 - meanfrequency
hands: 4.0, 5.0, 63, 8.0, JO.O, 12.5, 16.0, 20.0, 25,0, 315, 40.0 kHz
respectively, range ofrelative values of loading: a - 0.60- 0.64.
b - 0.69-0.73, c - 0.87- 0.91, d - 0.91- 0.96
b). Dla dolomitów faza I ma postać silnie zredukowaną
(ryc. 2a, b), a w większości przypadków nie występuje
(ryc. 3a). Zakres I dla badanych próbek nie przekracza
0,1 wartości siły niszczącej. Po nim następuje faza
II - przewagi najwyższych składowych widma w
badanym paśmie częstotliwości. W fazie tej na ogół
nie występują niskie składowe. Widma EA
charakterys-tyczne dla tego zakresu przedstawiono na ryc. 3b, c.
Faza II obejmuje zakres co najmniej do 0,35-0,40
wartości siły niszczącej, jednak w większości
przypad-ków granica między fazami II i III leży w przedziale
0,50-0,65 wartości siły niszczącej. W fazie III
najbar-dziej charakterystyczne jest pojawienie się niskich
i środkowych składowych częstotliwości o
amplitu-dach co najmniej tego samego rzędu wielkości, co
amplitudy najwyższych składowych widma (ryc. 3d,
4a, b, c). Szybkość narastania amplitud niskich składo
wych, zwłaszcza na granicy faz II i III, jest jednak
znacznie większa niż wysokich (ryc. 3c, d). Zakres IV
rozpoczyna się przy obciążeniu leżącym w przedziale
0,80-0,95 wartości siły niszczącej. Na początku tej
fa-zy można zaobserwować szybkie narastanie amplitud
przeważnie wszystkich składowych, jednak przede
wszystkim najniższych składowych widma, dla
któ-rych szybkość narastania jest największa; podobnie
jak w fazie III (ryc. 4d, 2c, d). Następnie aktywność
maleje (przy czym najszybciej maleją amplitudy najniż
szych składowych widmowych) i pozostaje przez
pe-wien czas na stosunkowo niskim poziomie (ryc. 2e).
Tuż przed i w czasie zniszczenia próbki (faza V)
wi-.:..__. Lr/•.ia.• ---·---~---··---·--" -__ . _ _ . ___ --- --- ---···--'-·-··--··-··-...!.-... .• - : ·- : - - - -·- - - ! - • -~- ••. -·- ·-t---H~, ,-++-+----+-..._,r+"-- ·--··- :_:~---'-- " ····-·--" ·'·'·· i·I
-
~
:::_t[
:
-1
+
~_
.
_
·
:1 I _j ~ .. aRyc. 5. Gęstość zdarzeń sygnalów EA ( Ns) oraz ich energia
zsumowania w przedziałach jednosekundowych (Es) w funkcji
warto.§ci względnej naprężenia ( <5/ R) dla próbek dolomitu i pi
as-kowca IJJOM: a - próhka nr 13, b - próbka nr 14, c -
prób-ka nr 15, d - próbka nr 2
doczny jest ponowny, bardzo szybki wzrost emisji w
ca-łym zakresie badanych częstotliwości (ryc. 2f).
Dla skał zwięzłych można wyróżnić następujące fazy
odkształcenia w miarę wzrostu naprężenia
jednoosiowe-go (6, 13, 17):
fazę zagęszczania, fazę mikropęknięć, fazę makropęknięć,
fazę zniszczenia wstępnego,
fazę zniszczenia materiału.
Granice między ww. fazami (6, 11) pokrywają się
z granicami omówionych zakresów
charakterystycz-nych dla ewolucji widm EA. Przedstawione zakresy,
charakteryzujące się zróżnicowaną postacią widm EA,
odpowiadają zatem kolejnym fazom odkształcenia
skały. Zależności między innymi parametrami emisji
akustycznej, jak np. gęstością zdarzeń EA lub energią
sygnałów EA zsumowaną w interwałach czasu, a
fa-zami odkształcenia skały były już wielokrotnie opisa
-ne (4, 6, 10, 13). Zmiany tych parametrów w kolejnych
fazach odkształcenia, charakterystyczne dla
omawia-nych dolomitów i piaskowców LGOM,
przedstawio-no na ryc. 5, na przykładzie cytowanych próbek
z tab. L Wartości gęstości zdarzeń sygnałów EA oraz
je<,lnosekundo-f-,-i-' ·---'--'---'--'--'-'--'-'--'--' '--'-' -'--'---l-U--1
f'RolOKl'ł !I:. l 'ł) l-'IJ c~0i: r<1- Ąo/4CV µ_ . - -· - -· . '
'~t~:~
'~~~~~=i
!=~· I6~~
==ą~~
;:_
.
:~
J
; ',f.~r~~:t
·--:.c'Q-~--?'±.:b.i.t::::-O;s:=!ok.::a·-c:hdą. -l '<Y/<i'f>i'ax1
-=-~·_n=rL
l
-~~1
-,_~
.
.
·
·
·
m1
m ·
bFig. 5. Density of signals EA ( N5) and their total energy in
1 s intervals (Es) in Junction of relative strain value ( 6/ RcJ
Tabela
PRĘDKOŚĆ PRO,P,AGACJI FALI PODŁU,Ż:,NEJ (Cp),
PO ROW ATOSG (n) I WYTRZYMAŁOSC (Rc)
OMAWIANYCH PROBEK DOLOMITU I PIASKOWCA LGOM
Nr Rodzaj CP I n RC
próbki skały [m/s] [%] [MPa]
2 piaskowiec 4300 24 23,2
3 piaskowiec 2891 14 13,5
13 dolomit 6029 6 83,3
14 dolomit 6423 3 66,2
15 dolomit 4188 13 37,4
wych są określone w jednostkach względnych, w funkcji wartości względnych naprężenia.
Podsumowując przedstawione wyniki sformuło
wano kilka wniosków.
1. Stwierdzono wyraźne przesunięcie maksymal-nych amplitud widmowych sygnałów EA od wysokich
o.2- D.4 o.ó o.co
for dolomite and sandstone samples from the I.egnica - Głogów
Mining Area: a - sample no. 13, b - sample no. 14, c
-sample no. 15, d - sample no. 2
do niskich częstotliwości, w miarę stopniowego
od-kształcania próbki (począwszy od fazy mikropęknięć).
2. Dla próbek o najmniejszej wytrzymałości (RJ zaobserwowano przesunięcie początku fazy makropęk
nięć (Rw2/ Rm)4 w kierunku mniejszych naprężeń (bi Re), (tab. II); efekt ten przedstawiono na ryc. 6 na przykładzie próbek z tab. IL Przesunięciu temu nie towarzyszy analogiczne przesunięcie końca fazy
ma-kropęknięć (Rw3/ Rm), (tab. II), w wyniku czego faza
makropęknięć ulega wydłużeniu względem
pozosta-łych, a faza mikropęknięć skróceniu5 •
3. Na podstawie przeprowadzonej analizy widma EA zbadanych próbek skał wyróżniono dwa rodzaje
zarejest-4 Rw2/ Rm, Rw3 I Rm - stosunek wartości chwilowej
siły odpowiednio dla początku (Rw2) i końca (Rw3) fazy
makropęknięć do wartości siły niszczącej (Rm).
5 W tab. II uwzględniono próbki, dla których granice
między poszczególnymi fazami były rozróżnialne, tzn. dla
któ-rych interwał pomiarowy był krótszy od faz odkształcenia. Stąd
wynika mała liczba próbek piaskowca, które niejednokrotnie
miały zbyt krótkie fazy ze względu na małą wytrzymałość. Z ww.
powodu ograniczono się do podania granic między fazami II i III
oraz III i IV, ponieważ, jak stwierdzono wcześniej, faza V
obej-muje samo zniszczenie materiału. Natomiast fazy I nie uwzględ
niono, gdyż występuje ona w postaci zredukowanej, tylko dla
B.'1'.?_ <Rcl 0.66~~~~~~~~R~m ~~~~~~~~~ 0.61 0.56 0.51 0.46 0.41 40 60 80 100
Ryc. 6. Wplyw wytrzymałości próbki (Ref MPa]) na położenie
początku fazy makro pęknięć ( Rw2/ Rm)
Fig. 6. Influence of sample resistance (RJMPa]) on location of the beginning of the" micro-fissure phase ( Rw2/ Rm)
Tabela II
, WPŁYW WYTRZYMAŁOŚCI Rc [MPa]
PROBEK PIASKOWGA (1, 2, 3, 7) I DOLOMITU ,
(POZOSTAŁE) NA POŁO ZENIE FAZY MAKROPĘKNIĘC
Nr Kształt RC Rw2 Rw3
- -
-próbki próbki [MPa] Rm Rm
1 c 17,9 0,52 0,86 2 c 23,2 0,52 0,92 3 s 13,5 0,50 0,84 4 c 16,2 0,47 0,94 5 c 32,5 0,59 0,88 6 c 22,5 0,49 0,88 7 s 28,5 0,56 0,89 8 c 10,0 0,37 0,84 9 c 31,6 0,58 0,93 10 c 21,6 0,50 0,83 13 s 83,3 0,65 0,90 14 c 66,2 0,50 0,91 15 s 37,4 0,59 0,94 17 c 8,7 0,40 0,87 24 s 26,4 0,36 0,87 29 c 7,5 0,41 0,88 30 c 80,4 0,64 0,90 31 c 37,4 0,50 0,95 32 c 34,7 0,49 0,83 33 c 31,6 0,57 0,86 34 c 39,5 0,54 0,89 35 s 8,0 0,47 0,84 36 s 12,0 0,41 0,85 37 s 14,0 0,45 0,81 38 s 8,3 0,53 0,84 39 s 21,7 0,54 0,90 40 s 21,6 0,64 0,91 41 c 28,0 0,58 0,94 46 c 37,1 0,62 0,92 49 c 25,7 0,57 0,95
Rw2/ Rm, Rw3 I Rm - stosunek wartości chwilowej siły od-powiednio dla początku i końca tej fazy do wartości siły
niszczącej; s - próbki sześcienne, c - próbki cylindryczne.
rowanych sygnałów EA - sygnały typu (a) oraz sygnały
typu (b):
a) sygnały zawierające składowe wysokie i
ewentual-nie pośrednie (np. ryc. 3a, b, c; 2c, d),
b) sygnały z przewagą niskich składowych częstot
liwości, zawierające jednak składowe wysokie i pośrednie
(np. ryc. 2d; 4a - d).
4. Przy uwzględnieniu całego procesu odkształcania
próbki aż do jej zniszczenia występuje ilościowa przewaga
sygnałów typu (a) nad sygnałami typu (b).
5. Dla próbek cylindrycznych i sześciennych nie
za-obserwowano istotnych różnic w postaciach widm
sy-gnałów EA charakterystycznych dla podanych zakresów
wartości względnych obciążenia.
ANALIZA WYNIKÓW
Przesunięcie maksimum amplitud od wysokich do
niskich częstotliwości w widmach EA w procesie
od-kształcania-badanych próbek nie obejmuje fazy
·r -
za-gęszczania, która jest związana z zamykaniem się pęknięć
i porów istiejących w materiale (7). Zrozumiałe jest więc,
dlaczego uwydatnia się ona dla próbek piaskowca,
a tylko w ograniczonej postaci dla niektórych próbek dolomitu.
Przyczynę przesunięcia maksimum amplitud od
wy-sokich do niskich częstotliwości zasugerowali S.D.
Wino-gradow (16) i P. Jax (2). Przy założeniu, że długość fali
naprężenia powstałej podczas tworzenia się szczeliny jest
równa w przybliżeniu rozmiarowi samej szczeliny,
Wino-gradow określił maksymalne częstotliwości związane
z powstawaniem mikropęknięć i makropęknięć (przy
założeniu rozmiaru ziarna 0,15-1,50 mm). P. Jax
przyj-mując model impulsu EA wg. R.W. Stephensa i A.A.
Pollocka (15) zauważył, że dla zdarzeń o dłuższym
cza-sie trwania więcej energii jest emitowane w zakresie
niższych częstotliwości. Tłumaczy to, dlaczego
powsta-waniu mikropęknięć towarzyszą sygnały wysokoczę
stotliwościowe, a powstawaniu makropęknięć
-sygnały z przewagą niskich składowych częstotliwości.
Sygały EA w fazie mikropęknięć powstają głównie
jako wynik dyslokacji (1). Sygnały w fazie makropęknięć
są związane z wzajemnym przemieszczaniem się ziaren,
powstawaniem pęknięć, z ich propagacją w ziarnach
i pomiędzy nimi oraz z istnieniem zbliźniaczeń i
powierz-chni poślizgów. Duża aktywność w fazie zniszczenia
wstępnego wynika z istnienia coraz większej liczby
ma-kropęknięć. Zauważalna obecność wysokich składowych
częstotliwości wiąże się z powstawaniem coraz większych
szczelin i wzrostem ich gę~tości, co powoduje, że sygnały
o dużych energiach pokonują coraz krótszą drogę od
źródła do przetwornika, co nie jest bez znaczenia w
przy-padku detekcji sygnałów o wysokich częstotliwościach.
Spostrzeżenia przedstawione we wniosku w
punk-tach 3, 4, dotyczące charakteru sygnałów EA,
re-jestrowanych we wszystkich fazach odkształcenia
próbek, pokrywają się z obserwacjami C.H. Scholza
(12). Scholz wyróżnił dwa rodzaje sygnałów EA,
cha-rakterystycznych dla próbek skał podlegających
na-prężeniu ściskającemu. Pierwszy z nich - związany
z propagacją mikropęknięć, zawierał głównie skła
dowe wysokoczęstotliwościowe, natomiast
dru-gi - związany z propagacją makropęknięć i
prze-mieszczaniem się warstw na powierzchniach
swo-bodnych próbki, charakteryzował się bardzo krótkim
czasem narastania pierwszej amplitudy oraz przewagą
niskich częstotliwości (chociaż zawierał również skła
dowe wysokoczęstotliwościowe). Stosunek liczby
sygnałów pierwszego i drugiego rodzaju określił on
jako 105:102
, co w pełni pokrywa się z wyżej
przed-stawionymi wynikami pomiarów dla próbek dolo-mitów i piaskowców LGOM.
skal-ne dokonano spostrzeżeń, uzupełniających przedsta-wiony obraz ewolucji widm EA.
1. W czasie ściskania jednoosiowego próbek począw
szy od fazy mikropęknięć aż do zniszczenia materiału,
ewolucja widma emisji akustycznej przebiegała
analo-gicznie dla piaskowca i dolomitu.
2. Różnice w postaci widm EA dolomitów i
piaskow-ców zaobserwowano w fazie zagęszczania i są one zwią
zane z większą porowatością piaskowca od
porowa-tości dolomitu.
3. Dokładne określenie położenia poszczególnych faz
odkształcenia w przypadku piaskowca jest trudniejsze niż
dla dolomitu ze względu na małą wytrzymałość próbek
piaskowca (notka 4).
LITERATURA
1. C h u g h Y.P., H a r d y H.R., S t e f a n k o
R. - Investigation of the frequency spectra of microseismic activity in rock under tension. Proc. lOth. Rock Mech. Symp. Austin, Texas 1968.
2. J a x P. - Schallemissionsanalyse bei plasticher
Verformung von Metallen, Schallemission. Sympo-sium der Deutsche Gesellschaft for Metallkunde. Munchen 1974.
3. K o e r n e r R.M., M c C a b e W.M., L o r d
A.E. - Overwiew of acoustic emission monitoring of
Rock Mechanics 1980.
4. K o ł t o ń s k i W. - Prognozowanie utraty
sta-teczności masywów skalnych na podstawie emisji
akustycznej. Techn. Poszuk. Geol. 1983 nr 6.
5. M c C a b e W.M. - Acoustic em1ss10n m
coal: a laboratory study. Proc. 2nd. Conf. on
Acoustic Emission/Microseismic Activity m
Geologie Structures and Materials, 1980.
6. M c E 1 r o y J.J., K o e r n e r R.M., L o r d
A.E. - An acoustic jack to assess in situ rock
behaviour. Int. J. Rock Mech. Min. Sci. & Geomech.
Abstr. 1985 vol. 22 no. 1.
7. O h n a k a M. - Acoustic emission during creep
of brittle rock. Ibidem 1983 vol. 20 no. 3.
8. O h n a k a M., M o g i K. - Frequency de-pendence of acoustic emission in rocks under
in-crementa!, unaxial compression. Bull. Earthq. Res.
Inst. Univ. Tokyo 1981 vol. 56.
9. O zim e k W. - Badania nad określeniem cech
indywidualnych głosu człowieka na podstawie
wid-ma wybranych dźwięków mowy, cz. I. Arch. Akust.
1970 vol. 5.
10. P i n i ń s k a J., K a r s k a Z. - Control of
a rock failure state by monitoring of acoustic
emission. Geol. Apll. e ldrogeologia. P. II. 1986
vol. 26.
11. R e y m o n d M.C., B i 1 I a n d J. - Emission
acoustique dans les roches calcaires a differentes
echelles. Rev. d'acoustique 1980 no. 52.
12. S c h o I z C.H. - Experimental study of the
frac-turing process in brittle rock. J. Geoph. Res. 1968
vol. 73 no. 4.
13. S c h o 1 z C.H. - Microfracturing and inelastic
deformation of rock in compression. Ibidem.
14. S u z u k i T., S a s a k i K., H i r o t a T.
-A new approach to the prediction of failure by rock noise. Proc. 4th. Int. Conf. on Strata Control and Rock Mech., Columbia Univ. New York 1964.
15. S t e p he n s R.W., P o 11 o ck A.A. -
Wave-forms and frequency spectra of acoustic emission. JASA 1971 vol. 50 no. 3.
16. W i n o g r a d o w S.D. - Experimental study
of the distribution of fractures in respect to the energy libirated by the destruction of rocks. IZV, Geoph. Series 1962.
17. Z u b e r e k W. - Emisja sejsmoakustyczna w
skałach. Prace Na11k. Uniw. Śl. 1984.
SUMMARY
The paper presents results of acoustic emission (AE) spectrum analysis of the signals generated in the process of deformation of fifty dolomite and sandstone specimens
from the Legnica -Głogów Mining Area. The rock
speci-mens were subjected to an uniaxial, compressional stress until failure. Received spectra contain maximal values of each spectra! component amplitude of all AE signals recorded in equal time intervals. These time intervals are at least one order of magnitude shorter thart the loading
test duration for each specimen. The AE spectrum
evolution in different, following strain stages was studied and interpretation of results was given.
Translated by the author
PE3IOME
B CTaTbe npeACTasneHbl pe3y11bTaTbl cneKTpanbHoro aHam13a Cl.ffHanos aKyCTl11'·tecKoi'.1 3MIACCIAIA (3A) B npo-L\ecce Aecf>opMal..\IAIA m1T111AeC.RT1A o6pa3L\OB AOnOMIATa 1..1
necYaHIAKa 1113 nerHIAL\KO-fnoryscKoro MeAHOro 0Kpyra. 06pa3L\bl ropHblX nopoA nOABepran111cb OAHOOCHOMY C)f(a-TIAIO. CocTaB11.R10w,111e nonyYeHHblX n111KOBb1X cneKTpos npeACTaBJ1.RIOT MaKCIAManbHble senlAYIAHbl aMnJ11ATYA OT-AeJ1bHblX cneKTpanbHblX COCTaBJ1.RIOUJ,IAX scex CIArHaJ10B.
perncTp111posaHHblX s paBHblX IAHTepsanax speMeHIA, no Kpai'.1Hei'.1 Mepe Ha nop.RAOK senlAYIAH Kopoye npOAOJ1)f(IA-TeJ1bHOCTIA scero npol..\ecca Aecf>opMal..\IAIA o6pa3L\a. npo-BeAeHbl IACCJ1eAOBaHIA.R 3BOJ1IOL\IAIA cneKTpOB 3A B oye-pe,ll,HblX cf>a3ax Aecf>opMal..\IAIA nopOAbl, a TaK)f(e npeACTa-sneHa IAHTepnpeTal..\"1.R nonyYeHHblX pe3ynbTaTOB.
SPROSTOWANIE
W nr 11 „Prz. Geol." na str. 679 w .:i wierszu lewego łamu zakradł się błąd. Powinno być
