Przebieg emisji sejsmoakustycznej w skałach pod wpływem zmian temperatury

Seria GÓRNICTWO z. 202 Nr kol. 1160

Małgorzata SUSCHKA Wacław ZUBEREK

Instytut Geologii Stosowanej Politechnika Śląska - Gliwice

PRZEBIEG EMISJI SEJSMOAKUSTYCZNEJ W SKALACH POD WPŁYWEM ZMIAN TEMPERATURY

Streszczenie. W pracy przedstawiono wyniki badań nad zjawiskiem emisji sejsmoakustycznej w próbkach mułowca, piskowca i wapienia poddanych cykli­

cznym naprężeniom termicznym. Próbki badanych skał poddawano podgrzewaniu w suszarce oraz schładzaniu, jednocześnie dokonując pomiaru emisji sejsmo­

akustycznej. Stwierdzono wzrost emisji wraz ze wzrostem temperatury, a także występowanie pewnych zależności aktywności sjsmoakustycznej od ma­

ksymalnej temperatury w cyklu poprzednim.

Summary. Results of acoustic emission research in sandstone, limestone and mudstone subjected to temperature changes are presented.Acoustic emis­

sion during samples heating and cooling were detected. The activity incre­

ased during the temperature rise. A thermal "Kaiser" effect appeared to exist in cycling heating at temperatures below the maximum temperature reached1 in the previous cycle.

PesioMe. B

stBJieHns

a

no

a

WSTĘP

Zjawisko emisji sejsmoakustycznej w coraz większym stopniu wykorzystywane jest do poznania zachodzących procesów mechanicznych oraz budowy ośrodków stałych [2].

Dosyć słabo zbadany jest wpływ naprężeń termicznych na powstawanie emisji w skałach [7; 1], Zainteresowanie tym problemem wynika z możliwości zastoso­

wania go w kontroli procesów zniszczenia zachodzących w górotworze pod wpły­

wem naprężeń termicznych [3; 4; 6],

50 M.Suschka, W.Zuberek

B a d a n i a z o s t a ł y p r z e p r o w a d z o n e n a t r z e c h t y p a c h s k a ł w t r a k c i e i c h c y k ­ l i c z n e g o p o d g r z e w a n i a d o s t o s u n k o w o n i e w y s o k i c h t e m p e r a t u r , w c e l u s p r a w d z e ­ n i a , c z y w y s t ę p u j e e m i s j a s e j s m o a k u s t y c z n a . B a d a n o r ó w n i e ż , c z y z j a w i s k o t o ma c h a r a k t e r p o w t a r z a l n y w r ó ż n y c h p r ó b k a c h t e j s a m e j s k a ł y o r a z c z y w y s t ę p u ­ j e e f e k t p a m i ę c i m a k s y m a ln y c h t e m p e r a t u r , tz w . e f e k t K a i s e r a [ 8 ; 5 ] .

C e le m n i n i e j s z e j p r a c y b y ł o t e ż z b a d a n i e p r z y d a t n o ś c i z e s t a w i o n e j a p a r a t u ­ r y d o t e g o t y p u b a d a ń , a t a k ż e o p r a c o w a n i e o d p o w i e d n i e j m e t o d y k i u m o ż l i w i a j ą ­ c e j p o d g r z e w a n i e p r ó b e k , r ó w n o c z e s n y p o m i a r e m i s j i s e j s m o a k u s t y c z n e j o r a z o g r a n i c z e n i e p o z i o m u szum ów .

P o m i a r y p r z e p r o w a d z o n e z o s t a ł y w Z a k ł a d z i e K a t e d r y G e o l o g i i S t o s o w a n e j W y d z i a ł u N a u k o Z ie m i U n i w e r s y t e t u Ś l ą s k i e g o .

METODYKA PRAC BADAWCZYCH

Do p o m i a r ó w e m i s j i s e j s m o a k u s t y c z n y c h w y k o r z y s t a n e z o s t a ł y p r ó b y z u tw o r ó w k a r b o n u i t r i a s u G ó r n o ś l ą s k i e g o Z a g ł ę b i a W ę g lo w e g o . B y ł y t o n a s t ę p u j ą c e t y p y s k a ł :

1 . M u ł o w i e c k w a r c y t o w y o s p o i w i e w ęg lan o w y m , o b a r w i e s z a r e j d o s z a r o ż ó ł t e j , z b i t y , t w a r d y , m a k r o p o r o w a ty . P r ó b k i p o c h o d z ą z o t w o r u w i e r t n i c z e g o n r 4 KWK " D y m itr o w " z g ł ę b o k o ś c i o k . 2 1 7 m ( g r u p a b r z e ż n a , s e r i a p a r a l i c z n a , w a r s t w y p o r ę b s k i e ) .

2 . P i a s k o w i e c d r o b n o z i a r n i s t y , z b i t y , o s p o i w i e k r z e m io n k o w y m , b a r w y s z a r e j . P r ó b k i p o c h o d z ą z o t w o r u w i e r t n i c z e g o " S i l e s i a " z g ł ę b o k o ś c i o d 9 2 0 m d o 1 3 5 m ( w a r s t w y r u d z k i e i o r z e s k i e ) .

3 . W a p ie ń z b i t y , p e l i t y c z n y t w a r d y . J a s n o s z a r y , l e k k o r ó ż o w a w y z a b a r w i o n y z w i ą z k a m i ż e l a z a . P r ó b k i p o c h o d z i ł y z o t w o r u " L ę d z i n y 1 6 " z g ł ę b o k o ś c i 3 9 0 - 3 9 2 m z u tw o r ó w t r i a s u ś r o d k o w e g o .

P r ó b k i w a lc o w e o w y s . 100 mm w y c in a n o z r d z e n i w i e r t n i c z y c h ; ś r e d n i c a p r ó ­ b e k m u ło w c a i w a p i e n i a w y n o s i ł a 1 0 0 mm, p i a s k o w c a 5 0 mm. W k a ż d e j p r ó b c e w p r z y p a d k u w s z y s t k i c h u ż y t y c h s k a ł o d w i e r c o n o dw a o t w o r y o g ł ę b o k o ś c i 6 0 mm i ś r e d n i c y 5 mm.

P r ó b k ę w s t a w i o n o d o s u s z a r k i n a p o d k ł a d k ę t e f l o n o w ą ( u m i e s z c z o n ą w c e l u u n i k n i ę c i a z a k ł ó c e ń p o c h o d z ą c y c h o d s u s z a r k i ) . Do j e d n e g o o t w o r u w k ł a d a n o c z u j n i k t e m p e r a t u r y D T -6 0 0 B i p o d ł ą c z o n o g o d o m i e r n i k a RLC (w p r z y p a d k u b a ­ d a ń m u ło w c a ) l u b c y f r o w e g o m i e r n i k a t e m p e r a t u r y DTM (w p r z y p a d k u p i a s k o w c a i w a p i e n i a ) .

W c e l u z a b e z p i e c z e n i a a k c e l e r o m e t r u p r z e d u s z k o d z e n i e m t e r m i c z n y m , p o m i a r u e m i s j i s e j s m o a k u s t y c z n e j d o k o n y w a n o p r z y u ż y c i u s t a l o w e g o - f a l o w o d u o d ł u g o ś c i 6 0 0 mm i ś r e d n i c y 5 mm. K o n ie c f a l o w o d u , d o k t ó r e g o p r z y m o c o w a n y b y ł c z u j n i k ,

wystawai na zewnątrz suszarki, natomiast drugi koniec był sztywno zamocowany w badanej próbce. Aby nie dopuścić do kontaktu falowodu z obudową suszarki, przeprowadzony byi on przez otwór drugiej płytki teflonowej leżącej na suszarce (rys.1).

Rys. 1. Schemat blokowy stanowiska pomiarowego Fig.1. The diagram of the test stand

i

Każdą próbkę podgrzewano co najmniej dwukrotnie. W pierwszym cyklu do 140°C, a po ostygnięciu, w drugim cyklu do 170°C. Tylko próbki mułowca pod­

grzewano do 150°C w pierwszym, a do 180°C w drugim cyklu.

Niektóre próbki zostały poddane ponownemu nagrzewaniu po upływie 24 godzin do temperatury nieco wyższej niż w drugim cyklu.

W trakcie podgrzewania próbek (a w niektórych przypadkach również w czasie schładzania między pierwszym a drugim cyklem) odczytywano co 100 s wyniki pojawiające się na wyświetlaczu układu DEMA-10 oraz zamiennie miernika RLC

lub miernika temperatury DTM.

Dla niektórych próbek mułowca i piaskowca dokonano pomiaru aktywności sejsmoakustycznej podczas chłodzenia próbki po pierwszym cyklu nagrzewania.

Nie stwierdzono jednak wyraźnej zależności aktywności zliczeń od zmian temperatury, ani też znacznego wzrostu emisji w pewnym zakresie temperatury.

Wykonano wykresy zależności skumulowanej liczby zliczeń N od temperatury

dla wszystkich próbek, dla cyklu 1 i 2. Na rys. 2 i 3 przedstawiono wykres tej

zależności dla wybranej próbki piaskowca P-5 i P-6. St załką oznaczono miejsce

52 M.Suschka, W.Zuberek

500

A 00

300

200

100 N ?

P - 5

©

20 AO 60 80 100 120 1A0 160 180 TPC]

Rys.2. Wykres zależności skumulowanej lięzby zliczeń N od temperatury T (dla

piaskowca P-5) z

Fig.2. The temperature - dependence of cumulated acoustic activity

500

400

300-

200

100-

[zlicz]

P - 6

©

20 40 60 80 100 120 140 160 180 T[°C

Piys. 3. Wykres zależności skumulowanej liczby zliczeń N od temperatury {dla piaskowca P-6)

Fig.3.Dependence of cumulated acoustic activity on temperature (for P-6 sand­

stone)

54 M. Suschka, W.Zuberek

wzrostu aktywności zliczeń określone w punkcie załamania wyinterpolowanej krzywej. Często interpolacja wymagała dwukrotnego załamania krzywej; strzałką jednak zaznaczono miejsce, w którym następował wyraźny wzrost nachylenia.

Na rys.4 przedstawiono wykres zależności aktywności zliczeń i temperatury w funkcji czasu dla tej samej próbki.

Rys.4. Przebieg aktywności zliczeń i temperatury w trakcie cyklicznych obcią­

żeń termicznych jako funkcja czasu

Fif.4. The time - dependence of AE emission activity (N ) and temperature (T) during temperature changes

DYSKUSJA WYNIKÓW

Badania przeprowadzone na próbkach trzech różnych skał zwięzłych pozwoliły stwierdzić, że zarówno przy podgrzewaniu, jak i schładzaniu próbek emitują one impulsy sejsmoakustyczne, a ponadto wraz ze wzrostem temperatury następu­

je wzrost emisji.

Dla każdego rodzaju skały można określić przedział temperatury, w jakiej

występuje wyraźny wzrost emisji dla każdego kolejnego cyklu. W pierwszym

cyklu temperatura ta najniższa jest dla piaskowców: 68-82°C, nieco wyższa dla

wapieni: 84-98°C, najwyższa dla mułowców 104-126°C (rys.5).

©

l. próbek

4 2 \

100

L L

MUŁOWCE

120 140 T[°Cl

l. próbek

120

©

tkTTłfl

140 160 T l°0 ]

PIASKOWCE

©

l. próbek

60 80 100 T[°C]

WAPIENIE

©

próbek

80 100 120 T[°C]

©

l. próbek

4- 2

70 110 150 T[°C ]

©

l.próbek

4

n

90 130 170 T [°C]

Rys.5. Rozkład temperatur (T) przyspieszonego wzrostu emisji sejsmoakustycznej

Fig.5. The histogram of temperature of increased activity

56 M. Suschka, W.Zuberek

155

150

X n o x

r a ^MUŁ0WCE

*7 3 4

'8

, ________ r______„ -10 140 145 150 T

[°C]

Rys.6. Wykresy zależności temperatury, przy której rozpoczyna się wzrost emi­

sji sejsmoakustycznej w drugim cyklu (T ) od maksymalnej temperatury

A E

w pierwszym cyklu podgrzewania (T )

max

Fig.6. The second cycle increasing activity on temperature (T ) - dependence

A E

of the first cycle maximal temperature (T )

max

Rys. 5 przedstawia wykresy zależności temperatury, przy której rozpoczyna się wzrost emisji sejsmoakustycznej w drugim cyklu (T ) od maksymalnej tem­

peratury w pierwszym cyklu podgrzewania (T ). Dla piskowców i wapieni

m a x

dokonano próby interpolacji prostych obrazujących liniową zależność tych zmiennych. W przypadku próbek mułowca uzyskane wyniki mogą być obarczone pewnym błędem. Przy pomiarach nie stosowano bowiem teflonowych podkładek, które znacznie ograniczają wpływ zakłóceń pochodzących od pracy suszarki.

U trzecim cyklu podgrzewania wzrost emisji następuje w wielu przypadkach w temperaturze zbliżonej do analogicznej w cyklu pierwszym. Można więc przy­

puszczać. że na występowanie efektu pamięci może mieć wpływ czas pomiędzy kolejnymi cyklami podgrzewania.

WNIOSKI

1. Stwierdzono występowanie emisji sejsmoakustycznej w trakcie podgrzewania i schładzania próbek skał.

2. Stwierdzono wzrost emisji wraz ze wzrostem temperatury.

3. Wyraźny wzrost emisji dla badanych próbek występuje:

- w pierwszym cyklu -

dla mułowców powyżej 104 - 126°C dla piskowców powyżej 68 - 82°C dla wapieni powyżej 84 - 98°C

- w drugim cyklu - około maksymalnej temperatury, do jakiej podgrzewano prób­

kę w cyklu pierwszym,

- w trzecim cyklu - w dość szerokim zakresie temperatur, bez wyraźnych pra­

widłowości; tylko w przypadku wapieni w temperaturach zbliżonych do analo­

gicznych w pierwszym cyklu.

4. Uzyskane wyniki badań sugerują występowanie efektu pamięci maksymalnej temperatury, jako że u drugim cyklu nagrzewania obserwowano wyraźny wzrost aktywności zliczeń w temperaturze tylko nieco niższej od temperatury, w jakiej zakończono wcześniejsze nagrzewanie.

5. Otrzymane dla piaskowców i wapieni wyniki sugerują, że na efekt pamięci może mieć wpływ czas, gdyż po upływie 24 h od wcześniejszego podgrzania efekt pamięci zanika.

6. Uzyskane wyniki potwierdziły przydatność zastosowanej aparatury do prowa­

dzenia tego typu badań. Celowa jest jednak automatyzacja procesów pomiaru

w kierunku cyfrowej rejestracji i opracowania wyników.

58 M.Suschka, W.Zuberek

LITERATURA

[ 1 ] A t k i n s o n B . K . , M a c D o n a ld D. , M e r e d i t h P .G . : A c o u s t i c r e s p o n s e a n d f r a c ­ t u r e m e c h a n i c s o f g r a n i t e s u b j e c t e d t o t h e r m a l a n d s t r e s s c y c l i n g e x p e r i ­ m e n t s , P r o c . T h i r d C o n f . o n A c o u s t i c E m i s s i o n / M i c r o s e i s m i c A c t i v i t y i n G e o l o g i c S t r u c t u r e s a n d M a t e r i a l s , T r a n s . T e c h . P u b l . , 1 9 8 4 , s . 5 - 1 8 . [ 2 ] H a r d y H . R . J r . : A p p l i c a t i o n s o f a c o u s t i c e m i s s i o n t e c h n i q u e s t o r o c k a n d

r o c k s t r u c t u r e s : A s t a t e - o f - t h e - a r t r e v i e w ; A c o u s t i c e m i s s i o n i n g e o t e c h - n i c a l e n g i n e e r i n g p r a c t i c e , ASTM STP 1 9 8 2 , 7 5 0 , s . 4 - 9 2 .

[ 3 ] M a j e r E . L . , M c E v i l l y T . V . , S e i s m i c m o n i t o r i n g o f a h e a t e d u n d e r g r o u n d r e ­ p o s i t o r y , E a r t h q . N o t e s 1 9 8 3 , v . 5 4 , n o . 1 , s . 3 1 .

[ 4 ] M a j e r E. L. , M c E v i l l y . : A c o u s t i c e m i s s i o n a n d w a v e p r o p a g a t i o n m o n i t o r i n g a n d t h e s p e n t f u e l t e s t , I n t . J . R o c k M e c h . S c i . a n d G e o m e c h . A b s t r . , 1 9 8 5 , n o . 4 , s . 2 1 5 - 2 2 6 .

[ 5 ] M o n t o t o M. , R u i z cje A r g a n d o n a V .G ., C a l l e j a L . , S u a r e z d e l R i o L . M. : K a i ­ s e r e f f e c t i n t h e r m o - c y c l e d r o c k s . . F o u r t h C o n f . o n AE/MA i n G e o l o g i c S t r u c t u r e s a n d M a t e r i a l s , P r o c . i n t h e F o u r t h C o n f . ( e d . H. R. H a r d y J r ) T r a n s . T e c h . P u b l . , 1 9 8 2 , s . 9 7 - 1 1 6 .

[ 6 ] P a u l s s o n B . N . P . , C o o k N .G .W ., M c E v i l l y T . V . : E l a s t i c - w a v e v e l o c i t i e s a n d a t t e n u a t i o n a n u n d e r g r o u n d g r a n i t i c r e p o s i t o r y f o r n u c l e a r w a s t e , G e o p h y s i c s , 1 9 8 5 , v . 5 0 , n o . 4 , s . 5 5 1 - 5 7 0 .

[ 7 ] Y o u n g C . , W ang C. : T h e r m a l l y I n d u c e d A c o u s t i c E m i s s i o n i n W e s t e r l e y G r a ­ n i t e , G e o p h . R e s . L e t . , 1 9 8 0 , v . 7 , n o . 1 2 , s . 1 0 8 9 - 1 0 9 2 .

[ 8 ] Z u b e r e k W .M .: W y k o r z y s t a n i e e f e k t u e m i s j i s e j s m o a k u s t y c z n e j w g e o t e c h n i - c e , P u b l . o f t h e I n s t i t u t e o f G e o p h y s i c s P o l i s h A cad e m y o f S c i e n c e s , 1 9 8 8 , M - 1 K 2 1 4 ) .

R e c e n z e n t : P r o f . d r h a b . i n ż . A n t o n i GOSZCZ

W p ł y n ę ł o d o R e d a k c j i w m a ju 1991

ACOUSTIC EM ISSION OF THE ROCK SAMPLES SUBJECTED TO THE TEMPERATURE CHANGES

A b s t r a c t

R e s u l t s o f a c o u s t i c e m i s s i o n r e s e a r c h i n s a n d s t o n e , l i m e s t o n e a n d m u d s t o n e s u b j e c t e d t o t e m p e r a t u r e c h a n g e s a r e p r e s e n t e d . T h e s a m p l e s o f t h o s e r o c k s w e r e h e a t e d i n t h e c a b i n e t d r i e r o n a t e f l o n s l a b { t o a v o i d d i s t u r b a n c e s ) . N e x t t h e y w e r e c o o l e d u n t i l t h e room t e m p e r a t u r e w a s a c h i e v e d . A c o u s t i c e m i s ­ s i o n s d u r i n g s a m p l e h e a t i n g a n d c o o l i n g w e r e d e t e c t e d . T h e n e w a p p a r a t u s a n d t h e e x p e r i m e n t a l m e t h o d s t o r e a l i z e t h e l a b o r a t o r y s t u d i e s w e r e t e s t e d .

E a c h o f t h e r o c k s a m p l e s w a s h e a t e d a t l e a s t t w i c e , d u r i n g t h e f i r s t c y c l e t i l l t h e m o m en t i t r e a c h e d t h e t e m p e r a t u r e o f 1 4 0 °C , i n t h e s e c o n d o n e t o 1 7 0 °C . A c o u s t i c e m i s s i o n w a s m e a s u r e d w i t h a n a c c e l e r a t o r a n d DEMA-10 s y s t e m .

T h e t i m e d e p e n d e n c e o f AE a c t i v i t y (N ) a n d t e m p e r a t u r e c h a n g e s a r e sh o w n

z

i n t h e d i a g r a m .

I t w a s f o u n d t h a t t h e a c t i v i t y i n c r e a s e d d u r i n g t h e t e m p e r a t u r e r i s e a n d t h a t t h e r e i s a d e p e n d e n c e o f AE o n t h e f i r s t c y c l e m axim um t e m p e r a t u r e . A l s o t h e t i m e d e p e n d e n c e o f AE a c t i v i t y a n d t e m p e r a t u r e c h a n g e s w a s n o t e d .

A t h e r m a l " K a i s e r " e f f e c t a p p r e a d t o e x i s t i n c y c l e h e a t i n g a t t e m p e r a t u ­ r e s b e l o w t h e m axim um t e m p e r a t u r e r e a c h e d i n t h e p r e v i o u s c y c l e . I t s e e m e d t o b e a f f e c t e d b y t h e t i m e p a r a m e t e r .

T h e t e m p e r a t u r e d e p e n d e n c e o f t h e c u m u l a t e d a c o u s t i c a c t i v i t y d u r i n g s a m p le c o o l i n g w a s n o t s t a t e d .

O u r r e s u l t s p r o v e t h a t t h e new a p p a r a t u s i s u s e f u l i n t h e l a b o r a t o r y s t u d i e s l i k e t h a t , b u t t h e r e i s a n e e d f o r a u t o m a t i z a t i o n o f t h e m e a s u r i n g p r o c e s s a n d d a t a h a n d l i n g .