Акустоэмиссионный эффект памяти в горных породах

А.В. ЛАВРОВ 
В.Л. ШКУРАТНИК 
Ю.Л. ФИЛИМОНОВ 

АКУСТО
эмиссионный 
ЭФФЕКТ 
ПАМЯТИ 

В ГОРНЫХ 
ПОРОДАХ 

УДК 622.02:539.2 

Издание осуществляется 
при поддержке Российского фонда 
фундаментальных исследований 
проект № 04-05-78015 

Книга соответствует «Гигиеническим требованиям к изданиям 
книжным для взрослых. СанПиН 1.2.1253-03», утвержденным Главным государственным санитарным врачом России 30 марта 2003 г. 

Рецензенты: 
• д-р физ.-мат. наук A.M. Линьков (Институт проблем машиноведения РАН); 
• д-р физ.-мат. наук Л.А. Назаров (Институт горного дела СО РАН) 

Лавров А.В., Шкуратник В.Л., Филимонов Ю.Л. Акустоэмиссионный эффект памяти в горных породах. — М.: Издательство Московского государственного горного университета, 2004. — 456 с: ил. 
ISBN 5-7418-0312-1 (в пер.) 

Дан анализ мирового опыта изучения эффектов памяти в горных породах. Основное 
внимание уделено результатам проведенных в последние годы исследований акустоэмиесионного эффекта памяти. Описана его трехмерная теоретическая модель, на основе которой 
установлены закономерности формирования и проявления памяти при трехосном нагружении образцов и воздействии помеховых факторов различной физической природы. С привлечением метода разрыва смешений изучены особенности эффекта на базе модели, учитывающей 
взаимодействие трещин и неоднородное дискретное строение геоматериалов. Представлены 
результаты экспериментальных исследований акустоэмиссионного эффекта памяти в пластичных и хрупких породах с использованием различных схем и режимов нагружения. Рассмотрены методические вопросы практического использования эффектов памяти для решения задач геоконтроля. 

Для научных и инженерно-технических работников, специализирующихся в области 
геомеханики и геофизики, может быть полезна студентам вузов и аспирантам. 

Табл. 5, ил. 164, список лит. — 252 назв. 

УДК 622.02:539.2 

ISBN 5-7418-0312-1 
© А.В. Лавров, В.Л. Шкуратник, 

Ю.Л. Филимонов, 2004 
© Издательство МГГУ, 2004 
© Дизайн книги. Издательство 
МГГУ, 2004 

A.V. LAVROV 

V.L. SHKURATNIK 

Y.L. FILIMONOV 

ACOUSTIC 
EMISSION 

MEMORY 
E F F E C T 

IN ROCKS 

A 

MOSCOW 

PUBLISHING HOUSE 
OF M O S C O W 
STATE MINING 
UNIVERSITY 

2 0 0 4 

The publication of the book 
is supported by the Russian Foundation 
for Bask Research 
grant M 04-05-78015 

Reviewers: 
• D. Sc. A.M. Linkov (Institute of Problems in Mechanical Engineering 
of the Russian Academy of Sciences); 
• D. Sc. LA. Nazarov (Institute of Mining-Scientific-Research Establishment of Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences) 

Lavrov A.V., Shkuratnik V.L., Filimonov Y.L. Acoustic emission 
memory effect in rocks. — M.: Publishing House of Moscow State Mining 
University, 2004. — 456 pp.: il. 

Worldwide achievements in memory effect studies in rocks are described and analyzed. 
Main focus is on the most recent results concerning the acoustic emission memory effect (the Kaiser effect). A three-dimensional theoretical model of the Kaiser effect is developed and used in order to establish new features of the effect under triaxial state of stress as well as under the influence 
of environmental factors. Displacement discontinuity method is invoked in order to allow for crack 
interaction and discrete non-homogeneous structure of rocks. Results of experimental Kaiser effect 
studies in brittle and ductile rocks under different loading regimes are presented. Possible applications of research results for rock stress measurements and rock stability assessment are outlined. 

The monograph should be of interest to scientists and engineers specialized in rock mechanics and geophysics, il might be helpful for university students. 

Tables 5, il. 164, references — 252 items. 

ВВЕДЕНИЕ 

...Настоящее - это продолжение прошлого, 
оно вырастает из прошлого и формируется 
им благодаря памяти. 

С. Роуз 

В каждом камне написана его история, надо 
только суметь ее прочитать. 

А.Е. 
Ферсман 

Сегодня слово «память» можно встретить в публикациях, относящихся 
к самым разным областям научного знания. Оно используется в математике н физике, химии и биологии, генетике и иммунологии, физиологии и 
петрофизике, истории и филологии, не говоря уже о работах по вычислительной технике и искусственному интеллекту. 

Многозначность памяти объясняется принципиальными различиями 
природы, механизмов и закономерностей ее формирования и проявления, 
а также процессов, с которыми она связана в том или ином случае. Сейчас 
уже ни у кого не вызывает сомнения, что, например, человеческая память 
совсем не «восковые таблички с написанными на них буквами», как считали древние, и не компьютерная память, хотя бы потому, что системы 
нейронов, образующие мозг, в отличие от компьютерных систем, в высокой степени недетерминированы. 

В то же время очевидно, что понятие памяти должно нести в себе некую единую объединительную смысловую нагрузку, которая давала бы 
основание использовать его в существенно различных контекстах. Суть 
такой нагрузки отражает определение памяти как свойства, основанного 
на совокупности взаимосвязанных процессов восприятия (запоминания), 
сохранения и воспроизведения соответствующей информации. Другими 
словами, память представляет собой способность сохранять и при определенных условиях воспроизводить «следы» прошлого. Такая широкая 
трактовка понятия памяти дает основание использовать его и при описании свойств объектов неживой природы. Одним из первых внимание на 
тго обратил известный австрийский физиолог Эвальд Геринг в докладе 
«Память как всеобщая функция организованной материи», с которым он 
выступил 30 мая 1870 г. перед Венской академией наук. По Э. Герингу, 
память - это сохранение всяких изменений, полученных от внешних воздействий, после того как эти воздействия уже прекратились. 

5 

Например, если с незначительным усилием надавить пальцем на плоский 
глиняный образец, то на нем останется след в виде некоторого углубления. 
Выравняв поверхность с этим углублением, мы, казалось бы, безвозвратно 
потеряли информацию о механическом воздействии, испытанном образцом. 
Однако если такой «восстановленный» образец подвергнуть обжигу, то 
углубление снова станет заметным. Следовательно, глиняный образец способен сохранять информацию о воздействии, которое он испытал в прошлом. 
Причем эта информация при определенных тестовых испытаниях может 
быть воспроизведена. Описанный простой эксперимент призван еще раз подчеркнуть, какой смысл в понятие «память» вкладывается авторами в настоящей работе. В то же время будем отдавать себе отчет, что указанное понятие 
при использовании в повседневной практике ассоциируется прежде всего с 
памятью человека и, следовательно, применяя его для описания свойств 
других объектов живой и неживой природы, мы имеем дело с метафоризацией и антропоморфизмом. 

Способность к сохранению и при определенных условиях воспроизведению информации об испытанных природно-генетических и техногенных воздействиях является одной из наиболее общих качественных особенностей горных пород и поэтому может рассматриваться как их фундаментальное свойство. Конкретные проявления этого свойства получили 
название эффектов памяти. Они заключаются в особенностях откликов 
горных пород на динамику тестовых физических полей, связанных с предысторией испытанных воздействий. 

Уже первые исследования эффектов памяти в геоматериалах показали, 
что они могут стать эффективным инструментом в познании фундаментальных закономерностей поведения горных пород в процессе их деформирования и разрушения. Отсюда неизменный интерес, который проявляется к указанным эффектам специалистами в области геомеханики и геофизики. 

Одной из отличительных особенностей поведения горных пород при 
механическом нагружении является сильная неклассическая нелинейность, 
проявляющаяся, в частности, в наличии гистерезиса и памяти об испытанном ранее уровне напряжений и деформаций. Настоящая работа главным 
образом посвящена одной из форм проявления памяти горных пород - акустоэмиссионному эффекту памяти, называемому также эффектом Кайзера 
(по имени открывшего его немецкого ученого середины XX века). 

Исследования эффекта в горных породах проводятся научными коллективами в различных странах на протяжении последних 40 лет. Особенно интенсивный интерес к данной тематике наблюдается в последние 
два десятилетия в связи с возможностью использования эффекта Кайзера 
для измерения напряжений в земной коре. 
6 

В настоящей работе основное внимание уделено результатам оригинальных экспериментальных и теоретических исследований акустоэмиссионного эффекта памяти, проводившихся авторами в течение последних 
лет в Московском государственном горном университете, в лаборатории 
прочности подземных хранилищ ООО «Подземгазпром», а также в Католическом университете города Левен (Бельгия). Целью этих исследований 
являлось получение ответов на фундаментальные вопросы о закономерностях формирования и проявления эффекта в горных породах различного типа, на разных стадиях деформирования, при различных режимах нагружения, в условиях сложного напряженного состояния (в том числе 
трехосного неравнокомпонентного) и действия разного рода помеховых 
факторов. 

Авторы сочли целесообразным в гл. 1 дать подробный анализ предшествующих настоящей работе публикаций по эффектам памяти в горных 
породах. Указанный анализ коснулся не только акустоэмиссионного эффекта памяти, но и других известных эффектов, прежде всего тех из них, 
природа которых связана со структурными изменениями геоматериала в 
процессе его деформирования и разрушения. 

Отсутствие до недавнего времени теоретических моделей, адекватно 
объясняющих механизмы и природу акустоэмиссионного эффекта памяти, 
затрудняло правильную интерпретацию получаемой на его основе измерительной информации и выявление причин возникновения противоречивых экспериментальных данных, не позволяло обоснованно прогнозировать развитие соответствующих методов геокоптроля и возможные границы их применимости. В связи с этим гл. 2 работы посвящена разработке 
трехмерной теоретической модели эффекта на основе концепции трещинообразования в горных породах при сжатии вследствие роста трещин 
растяжения, порождаемых начальными трещинами сдвига. В гл. 3 представлены результаты проведенного с использованием этой модели численного моделирования, позволившего установить закономерности формирования и проявления памяти о механических напряжениях в условиях 
сложного нагружения. 

Главы 4 и 5 монографии посвящены экспериментальным исследованиям акустоэмиссионного эффекта памяти на образцах типичных представителей пластичных (каменная соль, глина) и хрупких (известняк) пород. 
При проведении этих исследований использовались различные схемы 
нагружения, в частности циклическое нагружение дискообразных образцов «бразильским» методом, которое впервые позволило детально изучить особенности проявления эффекта при несовпадении направлений 
главных осей тензора напряжений в последовательных циклах. Были реализованы также нетрадиционные экспериментальные методики, например 

7 

нагружение дискообразных образцов «бразильским» методом с последующим выпиливанием из них призматических образцов и их испытанием в режиме одноосного сжатия. Экспериментальные результаты, полученные с использованием разнообразных схем нагружения, позволили 
существенно приблизиться к пониманию процессов развития дефектности 
в горных породах при их деформировании. 

В гл. 6 представлены результаты теоретических исследований акустоэмиссионного эффекта памяти с использованием модели, учитывающей 
взаимодействие трещин и неоднородное дискретное строение горных пород. Указанные исследования с привлечением метода разрыва смещений 
(одна из разновидностей метода граничных элементов) были выполнены в 
сотрудничестве с коллегами из горного отдела Совета по научным и промышленным исследованиям CSIR (ЮАР) и в первую очередь с Джоном 
Непьером, которому авторы выражают искреннюю признательность. 

Последняя глава монографии посвящена методическим вопросам практического использования эффектов памяти для оценки напряженного состояния и структурных свойств горных пород, а также обсуждению гипотезы о взаимосвязи указанных эффектов с предвестниками геодинамических явлений в земной коре. 

Исследования, результаты которых представлены в настоящей монографии, проведены при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (проекты 95-05-14224, 99-05-65575, 01-05-64105, 
04-05-64885) и Совета по грантам Президента РФ для поддержки ведущих 
научных школ (проекты 00-15-98590, НШ-1467.2003.5). 

ОБЩАЯ 
ХАРАКТЕРИСТИКА 
ЭФФЕКТОВ ПАМЯТИ 
В ГОРНЫХ ПОРОДАХ 

1.1 

СУЩНОСТЬ ЭФФЕКТОВ ПАМЯТИ 
И ИХ ОСНОВНЫЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ 

Память представляет собой способность горных пород накапливать, хранить и при определенных условиях воспроизводить информацию об испытанных природно-генетических и техногенных 
термодинамических воздействиях. Конкретные проявления этого 
свойства носят название эффектов памяти. Они заключаются в связанных с предысторией испытанных воздействий особенностях откликов горных пород на динамику различных тестовых физических 
полей. Наиболее общие и характерные из этих особенностей состоят в следующем [ 1 ]: 

• невоспроизводимость откликов горных пород на циклические 
термодинамические воздействия (нагревание, механическое 
нагружение) вплоть до максимальных уровней этих воздействий, достигнутых в предыдущих циклах, и специфический 
характер откликов в момент достижения указанного («запомненного») уровня; 

• зависимость характера (интенсивности, знака и пр.) откликов 
от соотношения режимов (направлений, уровней, продолжительности, типа напряженного состояния, скорости нагружения) воздействий в различных циклах; 

• зависимость интенсивности и характера откликов и времени 
релаксации памяти («забывания») от влияния внешних помеховых факторов; 

• сохранение основных закономерностей откликов при переходе к более крупным или более мелким масштабам исследования. 

В настоящее время известен целый ряд эффектов памяти о механических, тепловых, электрических и магнитных воздействиях на 
горные породы, различающихся как характером запоминаемых величин (напряжения, деформации, температуры, напряженность магнитного поля), так и типом откликов. 

II