Термостимулированная акустическая эмиссия в геоматериалах

УДК 622.02:539.2
ББК 33.1
 
Ш66

Книга соответствует «Гигиеническим требованиям к изданиям книжным 
для взрослых» СанПиН 1.2.1253 –03, утвержденным Главным государственным санитарным врачом России 30 марта 2003 г. (ОСТ 29.124 –94). 
Санитарно-эпидемиологическое заключение Федеральной службы по 
надзору в сфере защиты прав потребителей и благополучия человека 
№ 77.99.60.953.Д.014367.12.14

Рецензенты: 

акад. РАН, д-р физ.-мат. наук В.В. Адушкин;
акад. РАН, д-р физ.-мат. наук А.О. Глико;
д-р физ.-мат. наук А.В. Пономарёв

•
•
•

УДК 622.02:539.2
ББК 33.1

Шкуратник В.Л., Новиков Е.А., Вознесенский А.С., 
Винников В.А.
Ш66  
Термостимулированная акустическая эмиссия в геоматериалах. — М.: Издательство «Горная книга», 2015. — 
241 с.: ил. 
ISBN 978-5-98672-401-0 (в пер.)

Представлены результаты теоретических и экспериментальных 
исследований термостимулированной акустической эмиссии (ТАЭ) 
в геоматериалах. Рассмотрены теоретические модели, объясняющие 
некоторые механизмы формирования ТАЭ, обусловленные действующими в геосреде термонапряжениями. Дано описание аппаратурного и 
методического обеспечения для измерения параметров ТАЭ в образцах 
геоматериалов при различных схемах и режимах термического воздействия на них. Приведены результаты экспериментального изучения 
закономерностей ТАЭ в геоматериалах во взаимосвязи с их свойствами, 
структурой, составом и напряженно-деформированным состоянием.
Для научных и инженерно-технических работников, специализирующихся в области горной геофизики, геоакустики и геомеханики, 
определения параметров структуры, минерального состава, свойств и 
напряженного состояния горных пород, а также аспирантов и студентов, 
ведущих исследования в этих и смежных областях.

© В.Л. Шкуратник, Е.А. Новиков, 
 
А.С. Вознесенский, В.А. Винников, 2015
© Издательство «Горная книга», 2015
© Дизайн книги. Издательство 
 
«Горная книга», 2015

ISBN 978-5-98672-401-0

ВВЕДЕНИЕ

Акустическая эмиссия (АЭ) представляет собой явление излучения упругих волн, возникающее в результате необратимых или частично обратимых изменений структуры твердых 
тел под влиянием внешних и внутренних факторов различной 
физической природы. Принято считать, что это явление было 
установлено в середине XIX века при деформировании олова, 
которое сопровождалось характерными звуковыми эффектами, 
получившими название «крик олова».
В 1928 году была опубликована работа А.Ф. Иоффе, посвященная механическим свойствам кристаллов, которая условно 
может рассматриваться в качестве первой, где была отмечена 
взаимосвязь АЭ геоматериала с процессом его деформирования [1]. Отраженные в этой работе исследования, проведенные 
на образцах каменной соли, показали, что сдвиговые деформации в них происходят малыми скачками, каждый из которых 
«сопровождается шумами, напоминающими тиканье часов». 
При этом «скачки становятся заметными и слышимыми только при значительной пластической деформации», а их частота 
увеличивается с ростом приложенной к образцу механической 
нагрузки.
Первые целенаправленные фундаментальные исследования АЭ были проведены в конце 40-х — начале 50-х годов 
прошлого века учеными США и ФРГ [2, 3]. Причем учеными 
ФРГ различные акустико-эмиссионные эффекты изучались не 
только в синтезированных конструкционных, но и в геоматериалах. Наиболее важные результаты при этом были получены 
в Мюнхенской высшей горной школе И. Кайзером, который 
в 1950 г. защитил первую в истории докторскую диссертацию, 
посвященную изучению особенностей АЭ и возможных ее 
механизмов. Свои эксперименты он проводил, в частности, 
на образцах песчаника размером 16×4×4 мм, одноосное механическое нагружение которых сопровождалось регистрацией 

параметров АЭ и попыткой связать величину этих параметров 
с прочностными и упругими свойствами геоматериала.
И. Кайзеру принадлежит также приоритет в открытии так 
называемого акустико-эмиссионного эффекта памяти, наблюдаемого при циклическом нагружении горных пород с 
возрастающей от цикла к циклу амплитудой напряжения. Суть 
эффекта заключается в том, что при напряжениях, меньших максимального значения предшествующего цикла, активность АЭ 
остается близкой к фоновому уровню, а при достижении этого 
максимального значения скачкообразно возрастает, достигая 
максимального уровня активности предшествующего цикла.
Описанный эффект впоследствии получил имя своего первооткрывателя (эффект Кайзера). Он постоянно привлекал 
внимание исследователей самых разных стран в связи с возможностью его использования для оценки величин напряжений, 
испытанных горными породами в земной коре. К настоящему 
времени теоретически и экспериментально установлены основные закономерности формирования и проявления эффекта в 
горных породах различных генотипов, в том числе в условиях 
сложного напряженного состояния. Результаты исследований 
эффекта Кайзера более чем за пятидесятилетний период и 
методические вопросы его использования для решения задач 
геоконтроля отражены в многочисленных отечественных и зарубежных публикациях и обобщены в двух изданных в нашей 
стране монографиях [4, 5].
Возвращаясь к истории акустико-эмиссионных исследований, следует отметить, что с середины 50-х годов прошлого 
столетия возникло понимание того, что АЭ может являться 
одним из наиболее эффективных средств мониторинга разрушения горных пород в реальном времени. Этому во многом 
способствовали успешные результаты использования сигналов 
АЭ, возникающих в напряженном массиве, для прогноза опасных динамических явлений на угольных шахтах [6]. В то же 
время было начато систематическое изучение закономерностей 
АЭ на образцах горных пород [7], которое позволило выявить 
ряд преимуществ акустико-эмиссионного метода исследований. 
В частности, это возможность регистрации отдельных актов раз

рушения, которая не может быть реализована с использованием 
таких интегральных индикаторов поврежденности породы, как 
нелинейные деформации, изменение скоростей распространения упругих волн и их затухания. Локация источников АЭ 
позволяет дистанционно определять пространственное положение очагов разрушения и судить о его изменениях в процессе 
нагружения. Последнее обстоятельство выгодно отличает метод 
АЭ от микроскопии, которая дает картину трещиноватости лишь 
на момент окончания опыта и, по сути, является разрушающим 
методом контроля, так как требует изготовления шлифов.
Обращает на себя внимание тот факт, что метод АЭ как 
инструмент выявления растущих трещин в конструкционных 
материалах, несмотря на существенные затраты, связанные с его 
развитием, начал применяться только с середины 60-х годов. 
В вышедшей в 1970 г. под редакцией Р. Шарпа монографии по 
неразрушающему контролю отмечалось, что «обнаружение и 
анализ сигналов АЭ в твердых телах является новым методом 
с многообещающими возможностями» [8], что косвенно свидетельствует о нереализованности этих возможностей на тот 
момент времени.
Сказанное, конечно, относится и к геоматериалам, сложность 
которых как объектов акустико-эмиссионных исследований 
представляется достаточно очевидной. Тем не менее такие исследования никогда не прекращались, а их интенсивность по 
мере совершенствования соответствующего аппаратурного и 
методического обеспечения возрастала, ограничиваясь, правда, 
изучением особенностей и эффектов акустической эмиссии, 
возникающей в образцах горных пород под влиянием преимущественно механического нагружения. Полученные при этом 
основные результаты обобщены в обзорной работе [9]. Они 
свидетельствуют о том, что в настоящее время акустическая 
эмиссия может рассматриваться как один из наиболее эффективных инструментов при решении исследовательских задач в 
области физики прочности, пластичности и разрушения геоматериалов.
Понятно, что, будучи следствием разномасштабных разрывов 
сплошности, АЭ в горных породах возникает не только при ме

ханических, но и при других воздействиях. Так, например, она 
сопровождает процессы водонасыщения и высыхания горных 
пород [10], их растворения [11] и нагревания [12]. Возникающую 
под влиянием последнего из указанных видов воздействия АЭ 
принято называть термостимулированной акустической эмиссией (ТАЭ). Закономерностям ее проявления в горных породах 
и возможностям использования этих закономерностей для 
решения практических задач геоконтроля как раз и посвящена 
настоящая монография.
Наблюдаемый в последние годы рост интереса к исследованию ТАЭ обусловлен рядом объективных факторов. Во-первых, 
нагревание образцов горных пород может осуществляться бесконтактно, а значит, оно не предъявляет жестких требований 
к их форме и размерам. Во-вторых, ТАЭ возникает во всех 
типах горных пород, что характерно, конечно же, и для АЭ, 
сопровождающей механическое нагружение образцов, однако, 
в отличие от последнего, нагревание не создает контактных 
акустических помех. В-третьих, и это самое главное, особенности ТАЭ в горных породах во взаимосвязи с их составом, 
структурой, свойствами и состоянием до недавнего времени 
оставались практически не изученными.
Предлагаемая вниманию читателя монография является 
первой, где собраны и обобщены оригинальные результаты 
исследований ТАЭ в горных породах, полученные за последние 
10 лет в Московском государственном горном университете 
(в настоящее время Горный институт НИТУ «МИСиС»).
Хотя основная часть этих исследований представлена экспериментальной составляющей, все же авторы сочли целесообразным в первой главе рассмотреть теоретические модели ТАЭ, 
которые необходимы для обоснования эффективных алгоритмов 
и режимов соответствующих измерительных экспериментов и 
адекватной интерпретации их результатов. Понятно, что без 
таких моделей было бы невозможно также объяснить природу и 
механизмы ТАЭ в горных породах, а также установить взаимосвязи ее параметров с искомыми характеристиками геосреды.
Во второй главе монографии дано подробное описание специализированного аппаратурного обеспечения экспериментальных 

исследований ТАЭ в горных породах, что представляется вполне 
логичным, поскольку такое обеспечение ранее отсутствовало. 
Соответствующие эксперименты если и проводились, то носили единичный характер и имели ограничения как по режимам 
нагревания образцов, так и по измеряемым информативным 
параметрам АЭ. Ранее даже не предпринимались попытки 
создания измерительных установок для исследования ТАЭ в 
образцах горных пород, находящихся в условиях статического 
напряженно-деформированного состояния.
Третья глава посвящена разработке подходов к решению 
задачи идентификации горных пород по их термоакустоэмиссионным паспортам, а также экспериментальной проверке возможности такой идентификации. Показано, что на надежность 
решения этой задачи значительно влияет скорость нагревания 
исследуемых образцов, оптимальное значение которой обосновано на базе соответствующих экспериментальных данных 
и компьютерного моделирования. Предложен и апробирован 
алгоритм идентификации горных пород по их экспериментально 
полученным термоакустограммам.
В четвертой главе отражены результаты экспериментальных 
исследований взаимосвязи между параметрами ТАЭ геоматериалов и их минеральным составом, прочностными свойствами, 
а также структурными особенностями. Отдельное внимание 
уделено обоснованию возможности использования метода ТАЭ 
для цензурирования исследуемой выборки с целью выявления 
в ней образцов с аномальной дефектностью.
Очевидно, что деформации и напряжения, которые испытывают горные породы в массиве, неизбежно должны оказывать 
влияние на проявления ТАЭ в них. В связи с этим экспериментальным исследованиям такого влияния применительно 
к горным породам различных генотипов посвящена глава 5 
настоящей работы. Хотя эти исследования ограничиваются условиями одноосного механического нагружения образцов, тем 
не менее их можно рассматривать как первый шаг к будущему 
использованию метода ТАЭ для оценки напряженно-деформированного состояния горных пород в массиве.

Завершает монографию глава, посвященная изучению закономерностей ТАЭ в угле во взаимосвязи со степенью его 
поврежденности, которая в свою очередь взаимосвязана со 
степенью окисленности углей, во многом определяющей условия сохранения их качества при хранении и транспортировке. 
Выделение углей в отдельный объект термоакустоэмиссионных 
исследований понятно, если учесть специфичность их механических и теплофизических свойств, которые принципиально 
отличаются от аналогичных свойств классических пластичных 
и хрупких горных пород.
Исследования, результаты которых отражены в настоящей 
монографии, проведены при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (проекты 07-0500045, 10-05-00141, 13-05-00168).
Авторы выражают глубокую благодарность кандидатам технических наук С.В. Вильямову, С.В. Кучурину, В.Г. Нестеровой, 
кандидату физико-математических наук П.Е. Сизину и доктору 
технических наук С.А. Эпштейн, принимавших на разных этапах 
участие в работах по исследованию ТАЭ геоматериалов.

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ 
ТЕРМОСТИМУЛИРОВАННОЙ 
АКУСТИЧЕСКОЙ ЭМИССИИ 
В ГОРНЫХ ПОРОДАХ

ГЛАВА
1

И наиболее руководящей из всех наук, и в 
большей мере руководящей, чем <всякая> наука 
служебная, является та, которая… отдает предпочтение знанию ради знания, познанию первых 
элементов и причин, ибо с их помощью и на их 
основе познается все остальное… познает, ради чего 
надлежит делать каждую вещь; а такою конечною 
целью в каждом случае является благо и вообще 
наилучшее во всей природе.

Аристотель

В качестве источников генерации термостимулированной акустической эмиссии (ТАЭ) в горных породах выступают рост и закрытие микро- и макротрещин, трение между их 
берегами, испарение влаги и взрыв газово-жидких включений, 
фазовые переходы, схлопывание пор, процессы двойникования, 
выход на границы зерен дислокаций и их скоплений. Однако 
вклад каждого из указанных источников в результирующую, а 
тем более регистрируемую ТАЭ существенно различен. Он зависит, с одной стороны, от минерального состава, структурных и 
текстурных особенностей, исходной поврежденности, упругих, 
прочностных, теплофизических, акустических свойств объекта 
исследований и режимов его нагревания, а с другой — от энергии и спектрального состава упругих импульсов, порождаемых 
соответствующим источником. Так, например, согласно существующим оценкам, на излучение упругих волн расходуется 
не более 1% энергии, связанной с дислокационными механизмами, а спектр соответствующих им сигналов АЭ простирается 
до частот, превышающих 1010 Гц [13]. Понятно, что с учетом 
высокого частотно-зависимого затухания упругих волн в горных 
породах подобные сигналы в принципе не могут быть зарегистрированы даже самой совершенной акустико-эмиссионной 
измерительной аппаратурой.
С учетом сказанного при обосновании приведенных ниже 
теоретических моделей будем исходить из того, что основным 
источником ТАЭ в горных породах являются обусловленные 
термонапряжениями процессы трещинообразования и скачкообразного подрастания трещин. Причем сложность этих процессов 

и различие условий, в которых они протекают, не позволяют 
ограничиться одной моделью и объясняют необходимость рассмотрения с использованием принципиально близких подходов 
нескольких их вариантов.

1.1. 
ОСНОВНЫЕ ПОДХОДЫ К ПОСТРОЕНИЮ 
МОДЕЛЕЙ. РАСПРОСТРАНЕНИЕ ТЕПЛА 
В МНОГОКОМПОНЕНТНОЙ 
ПОЛИКРИСТАЛЛИЧЕСКОЙ СРЕДЕ

Термостимулированная акустическая эмиссия 
представляет собой совокупность упругих импульсов, возникновение которых в породе обусловлено зарождением и ростом 
в ней трещин под влиянием вызванных нагревом внутренних 
термонапряжений.
При этом рост трещин может происходить как внутри минерального зерна при достаточно высоком градиенте температур, 
так и на границах минеральных зерен вследствие анизотропии 
величины их термической деформации, обусловленной анизотропией свойств этих зерен. Очевидно, что для создания моделей ТАЭ необходимо знать закономерности распространения 
тепла в многокомпонентной анизотропной полиминеральной 
среде, каковой является горная порода, чтобы затем на основе 
определенного в каждой точке породы теплового поля рассчитывать величину термических напряжений и прогнозировать 
рост трещин. Для этого необходимо:
определить тепловое поле в неоднородной однокомпонентной поликристаллической среде в квазистационарной 
постановке;
распространить найденное решение о тепловом поле в 
неоднородной однокомпонентной поликристаллической 
среде на двухкомпонентную (многокомпонентную) поликристаллическую среду, учтя при этом взаимное влияние 
структурных элементов этой среды друг на друга;
рассчитать параметры модели, позволяющие учесть взаимное влияние структурных элементов многокомпонентной 
поликристаллической среды (т.е. ее структуру и текстуру) 
в различных случаях.

•

•

•