Разработка лазерного ультразвукового метода диагностики структуры и свойств горных пород на образцах

Наличие надежной информации о структуре, свойствах и состоянии геологической среды на различных масштабных уровнях является необходимым условием эффективного и безопасного ведения горных работ, строительства и эксплуатации подземных сооружений. Для получения указанной информации широкое распространение получили методы горной геофизики, основанные на изучении природы структуры, пространственной неоднородности и временной изменчивости искусственных и естественных физических полей в массиве и на образцах.

Каждый из многочисленных методов горной геофизики имеет свои достоинства, недостатки и приоритетные области применения. В частности, при решении задач, связанных с исследованием относительно небольших объемов горных пород и требующих высокой точности, детальности и разрешающей способности контроля, наиболее перспективны активные ультразвуковые (УЗ) методы. Суть этих методов заключается в возбуждении упругих волн с частотой, превышающей десятки кГц, которые в процессе своего распространения в геоматериале взаимодействуют с его различными первичными полями, становясь при этом носителями искомой геофизической информации. Извлечение последней сводится к измерениям параметров принятого УЗ сигнала современными радиоэлектронными средствами и последующей интерпретации этих измерений с использованием законов геоакустики, физических эффектов, сопровождающих распространение упругих волн, а также соответствующих корреляционных связей.

Начиная с 50-х годов прошлого века, когда стали проводиться систематические исследования геосреды с использованием ультразвука, и вплоть до настоящего времени УЗ методы постоянно совершенствовались. Тем не менее, еще и сегодня приходится констатировать, что их значительные потенциальные возможности на практике реализуются далеко не полностью. Последнее обусловлено прежде всего тем, что традиционно используемые в геоконтроле пьезоэлектрические источники ультразвука обеспечивают возбуждение относительно узкополосных, маломощных зондирующих сигналов, возможности управления параметрами которых принципиально ограниченны. Все это, в конечном счете, снижает информативность, надежность и помехоустойчивость УЗ измерений в горных породах, а также ограничивает круг решаемых с помощью таких измерений задач.

Отмеченное предопределяет актуальность проведения теоретических и экспериментальных исследований, направленных на создание метода диагностики структуры и свойств геоматериалов на основе принципов ультразвуковой спектроскопии с использованием возбуждаемых лазерным излучением широкополосных, мощных упругих зондирующих импульсов с управляемыми параметрами.

Исследования, результаты которых представлены в настоящей диссертационной работе, осуществлялись при финансовой поддержке Совета по грантам Президента РФ для поддержки ведущих научных школ (НШ-1467.2003.5). Они были проведены в рамках темы «Теоретическое и экспериментальное обоснование изучения структуры, свойств и состояния горных пород на основе принципов ультразвуковой эхоскопии» в соответствии с планом научно-исследовательских работ МГГУ, проводимых в 2002 — 2004 гг. по заданию Федерального агентства по образованию (номер госрегистрации 1 200 304 882).

Цель работы — установление закономерностей лазерного возбуждения и распространения ультразвуковых импульсов в горных породах, а также взаимосвязей измеряемых параметров этих импульсов с искомыми характеристиками объектов исследования для разработки на этой основе лазерного ультразвукового метода диагностики их структуры и свойств.

В рамках настоящей работы автором защищаются следующие основные научные положения:

1. Разработанная на базе несвязанной нестационарной теории термоупругости теоретическая модель, описываемая системой волновых уравнений для скалярного и векторного потенциалов и уравнения теплопроводности, позволяет рассчитывать параметры ультразвуковых импульсов продольных, сдвиговых и поверхностных волн, возбуждаемых в результате поглощения лазерного излучения в приповерхностном слое горной породы при произвольных параметрах лазерного излучения.

2. Спектр импульсов упругих волн каждого типа, возбуждаемых лазерным излучением в горных породах, определяется произведением трех спектров, первые два из которых задают продольное и поперечное распределения источников тепла, третий задается Фурье-образом временной огибающей интенсивности светового импульса. При использовании коротких лазерных импульсов характерная длительность сигналов продольных волн, по крайней мере, на порядок меньше, чем соответственно поперечных и поверхностных.

3. Изменение параметров оптического пучка позволяет управлять такими параметрами ультразвуковых сигналов как амплитуда, длительность, спектр и диаграмма направленности. Лазерное возбуждение упругих импульсов продольных волн в горных породах через промежуточный слой оптически прозрачной среды с высоким значением волнового сопротивления приводит к увеличению амплитуды не менее чем на порядок и смещению спектра в низкочастотную область. Фокусировка оптического пучка приводит к увеличению амплитуды импульсов сдвиговых и поверхностных волн и уменьшению их длительности.

4. Генерация упругих импульсов может осуществляться либо при поглощении лазерного излучения на поверхности образца горной породы, либо через промежуточную генераторную среду. При этом в первом случае излучаются как продольные так и поперечные волны, параметры которых зависят от коэффициента поглощения светового излучения в приповерхностной зоне геоматериала. Во втором случае излучаются преимущественно импульсы продольных волн, амплитуда давления которых может достигать чрезвычайно больших значений вплоть до 100.

МПа и регулироваться за счет выбора генераторной среды с определенными теплофизическими свойствами.

5. Лазерный метод возбуждения упругих волн позволяет достичь амплитуд давления упругих импульсов, генерируемых в горных породах без нарушения их структуры, до 10 МПа в частотном диапазоне до 40 МГц. Реализуемые на практике амплитуды давления упругих импульсов позволяют исследовать во всем рабочем диапазоне частот образцы горных пород с затуханием, достигающем 30 см" 1. При этом длины волн указанных сигналов оказываются соизмеримыми с характерными размерами неоднородностей в образцах горных пород, либо могут быть больше или меньше этих размеров, что создает предпосылки для оценки масштабов элементов зернистой структуры, пористости, микротрещин, дефектов и других неоднородностей.

6. Создаваемые в горных породах с помощью лазерного возбуждения упругие импульсы имеют длительность менее 100 не, что обеспечивает высокую лучевую разрешающую способность, величину мертвой зоны менее 0,4 мм и позволяет исследовать образцы толщиной от 3 мм и более.

7. Использование принципов лазерной ультразвуковой спектроскопии горных пород во всем реализуемом диапазоне частот позволяет, применяя частотозависимое затухание в качестве информативного параметра контроля, не менее чем в три раза повысить чувствительность выявления анизотропии по сравнению с контролем на основе стандартных кинематических параметров акустического сигнала.

8. Достигаемые при лазерном возбуждении высокие амплитуды давления зондирующих упругих импульсов достаточны для проявления нелинейных эффектов при их взаимодействии с дефектной геосредой, что приводит к искажениям формы указанных импульсов, которые могут быть использованы в качестве информативных признаков контроля микротрещиноватости.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются:

— большим объемом экспериментальных исследований, проведенных на образцах различных горных пород;

— совпадением форм импульсов упругих волн, полученных из теоретической модели и наблюдаемых экспериментально;

— значительным объемом сравнительного анализа динамических и кинематических характеристик ультразвуковых сигналов в частотном диапазоне вплоть до 40 МГц, полученных с помощью разработанных современных экспериментальных методов и аппаратуры, с известными результатами;

— хорошей воспроизводимостью установленных закономерностей информативных параметров при многократных измерениях;

— использованием современных компьютерных программ для обработки экспериментальных данных.

Научная новизна работы заключается:

— в разработке теоретической модели, описывающей процесс лазерного возбуждения ультразвуковых импульсов продольных, сдвиговых и поверхностных волн в горных породах;

— в получении аналитической зависимости параметров данных импульсов от основных характеристик оптического излучения и свойств геосреды, определяющих поглощение света;

— в экспериментальном установлении зависимости параметров ультразвуковых импульсов от пространственного и временного распределения интенсивности оптического пучка, а также от поглощающих свет свойств геоматериала;

— в теоретическом и экспериментальном установлении зависимости амплитуды генерируемых с помощью лазера импульсов упругих волн от теплофизических свойств поглощающей оптическое излучение геосреды;

— в установлении возможности увеличения амплитуды сигналов на порядок и более при лазерном возбуждении сигналов упругих волн через оптически прозрачную среду с высоким значением акустического импеданса;

— в установлении возможности проведения исследований с помощью упругих импульсов, возбуждаемых лазером в геосреде, на образцах горных пород малых размеров с толщиной не менее 3 мм;

— в установлении закономерностей лазерной ультразвуковой эхолокации образцов горных пород при диагностике пор, микротрещин и других неоднородностей;

— в установлении закономерностей в описании анизотропии горных пород в результате введения нового динамического параметра: частотной зависимости коэффициента затухания во всем реализуемом диапазоне вплоть до 40 МГц;

— в установлении закономерностей нелинейных искажений формы мощных ультразвуковых импульсов продольных волн при их распространении в образцах горных пород.

Научное значение работы заключается в разработке теоретической модели и установлении закономерностей процесса лазерного возбуждения в геосреде мощных коротких импульсов продольных, сдвиговых и поверхностных волн, а также в обосновании принципов использования данных импульсов для диагностики свойств и структуры горных пород, что будет способствовать развитию научного направления, связанного с использованием лазерной ультразвуковой спектроскопии для решения задач геоконтроля.

Практическое значение работы заключается в разработке «Методики оценки структуры и свойств горных пород методом лазерной ультразвуковой спектроскопии», внедрение которой позволит значительно повысить точность и надежность информации о геологической среде, необходимой для эффективного и безопасного ведения горных работ, а также управления процессами переработки и обогащения минерального сырья.

Реализация результатов работы. Выводы и рекомендации, сформулированные в рамках работы, нашли отражение в «Методике оценки структуры и свойств горных пород методом лазерной ультразвуковой спектроскопии», которая может быть использована в научно-исследовательских институтах, вузах и других организациях, ведущих работы по созданию и практическому использованию новых методов исследования геоматериалов.

Благодарности.

Автор выражает искреннюю благодарность и признательность научному консультанту Владимиру Лазаревичу Шкуратнику и Александру Алексеевичу Карабутову, без постоянного внимания которых эта работа не была бы сделана. Выполнение работы едва ли стало бы возможным без теплого отношения, постоянной поддержки и участия со стороны всех сотрудников кафедры ФТКП МГГУ. Автор благодарен Инькову В. Н. за техническую помощь при постановке экспериментов и Панасьян JI.JI. за предоставленные для исследований образцы и плодотворное обсуждение результатов.

Основные выводы и результаты диссертационной работы заключаются в следующем:

— Разработана теоретическая модель для описания процесса лазерного возбуждения в горных породах ультразвуковых импульсов продольных, сдвиговых и поверхностных волн, позволяющая определять формы и спектры данных импульсов при произвольных параметрах оптического пучка.

— Установлено, что спектр импульсов акустических волн каждого из трех типов волн, возбуждаемых при поглощении лазерного излучения в приповерхностном слое горной породы, есть произведение трех спектров, два из которых задаются пространственным и временным распределением оптического пучка, а третий определяется поглощающими свойствами геосреды.

— Установлено, что лазерное возбуждение импульсов продольных волн в горных породах через промежуточный слой оптически прозрачной среды с высоким значением волнового сопротивления приводит к увеличению амплитуды не менее, чем на порядок, и смещению спектра в низкочастотную область, а фокусировка оптического пучка определяет направление максимума диаграммы направленностидля сдвиговых и поверхностных волн фокусировка лазерного излучения обеспечивает уменьшение длительности импульсов и расширение их спектра. Показано, что выбор промежуточной генераторной среды с низкой теплоемкостью и высоким коэффициентом теплового расширения, а также большим значением коэффициента поглощения света позволяет увеличить амплитуду генерируемых импульсов продольных волн, по крайней мере, на порядок вплоть до 100 МПа.

Экспериментально установлено, что лазерный метод возбуждения упругих волн позволяет достичь амплитуд давления ультразвуковых импульсов, генерируемых в горных породах без нарушения их структуры, до 10 МПа в частотном диапазоне до 40 МГц, что создает предпосылки для исследования горных пород с высоким затуханием ультразвука, достигающим 30 см" 1.

Разработаны принципы построения и создан опытный образец аппаратуры лазерной УЗ спектроскопии «Геоскан-02М». Установлено, что по экспериментально полученной зависимости коэффициента затухания упругих волн в диапазоне от 300 кГц до 40 МГц и с использованием теоретической модели, учитывающей рэлеевское, стохастическое и геометрическое рассеяние на зернах, можно определить их характерные размеры в пределах от 1 мм до 20 мкм.

Установлено, что минимальная длительность возбуждаемых с помощью оптического излучения упругих импульсов составляет 100 не, что обеспечивает высокую лучевую разрешающую способность и позволяет исследовать образцы толщиной от 3 мм практически при отсутствии мертвой зоны. Реализована возможность выявления и идентификации дефектов структуры при одностороннем доступе к объекту контроля. Экспериментально доказано, что, применяя в качестве информативного параметра контроля коэффициент затухания во всем реализуемом диапазоне частот, можно повысить чувствительность выявления анизотропии не менее чем в три раза по сравнению с контролем на основе стандартных кинематических параметров акустического сигнала. Установлен эффект нелинейного взаимодействия возбуждаемых оптическим излучением мощных ультразвуковых импульсов с дефектной геосредой, проявляющийся в детерминированных искажениях формы указанных импульсов, заключающихся в превалирующем затухании фазы разрежения и появлении временного сдвига между фазой сжатия и фазой разрежения.

Заключение

.

В диссертации, представляющей собой законченную научную работу, содержащую результаты исследования закономерностей лазерного возбуждения и распространения ультразвуковых импульсов продольных, сдвиговых и поверхностных волн в горных породах, разработаны теоретические положения, которые можно квалифицировать как крупное достижение, связанное с созданием нового метода горной геофизики лазерной ультразвуковой спектроскопии, обеспечивающего повышение информативности и надежности прогноза и контроля свойств и структуры геологической среды на образцах.