Файл: Акустические свойства горных пород, использование акустических свойств при разработке месторождений полезных ископаемых.docx
Добавлен: 27.04.2024
Просмотров: 11
Скачиваний: 0
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
Реферат
Тема: Акустические свойства горных пород, использование акустических свойств при разработке месторождений полезных ископаемых
Содержание
Общие сведения.......................................................................................................3
Основные факторы, влияющие на акустические свойства горных пород...........4
Литература...............................................................................................................6
Общие сведения
Акустические свойства горных пород определяют характер распространения упругих волн в горных породах.
Необратимые потери энергии при распространении упругих волн связаны с акустическим поглощением горных пород, обусловленным в основном внутренним трением и теплопроводностью. В различных частотных диапазонах вклад этих механизмов в общее поглощение не одинаков, т.к. их параметры зависят от частоты волны. Акустическое поглощение — одна из причин дисперсии скоростей упругих волн и искажения импульсных сигналов, распространяющихся в горных породах Степень затухания колебаний оценивают с помощью коэффициента потерь g или добротности Q. Изменение амплитуды волны при распространении в горных породах определяет коэффициент затухания а [м-1] — величина, обратная расстоянию, при котором амплитуда волны уменьшается в 2,718 раз.
К основным показателям акустических свойств относится также скорость распространения упругих (продольных, поперечных и поверхностных) волн. Скорость распространения продольных волн примерно в 1,7-1,9 раза больше, чем поперечных, и в 2 раза больше, чем поверхностных.
Акустические свойства тесно связаны с физико-механическими свойствами, термодинамическим состоянием и структурными особенностями среды. Например, для скальных пород коэффициент затухания приблизительно пропорционален первой степени частоты, для рыхлых — её квадрату. Скорости распространения упругих волн возрастают с увеличением модулей упругости и плотности пород и давления (глубины залегания); коэффициент затухания уменьшается с глубиной. Акустические свойства зависят также от температуры: при её увеличении скорость упругих волн уменьшается, а коэффициент затухания возрастает.
В практике горного дела приняты резонансный (по собственной частоте колебания образца) и импульсный (с использованием периодического импульсного взрывного или ударного источника упругих колебаний) методы измерений характеристик акустических свойств.
Коэффициент затухания: для скальных ненарушенных горных пород в диапазоне частот 1-100 Гц составляет 10-6-10-3 м-1, для частот 1-10 кГц — 5•10-2-1м-1; для рыхлых пород в диапазоне 1-100 Гц — 10-2-10-1м-1. Скорости распространения продольных волн для магматических пород (гранит, диабаз, габбро) 4500-6800 м/с, метаморфических (кристаллические сланцы) 4000-5600, осадочных (известняки, доломиты) 3200-5500, в грунтах 300-1900 м/с.
Акустические свойства изучают для определения упругих, прочностных и вязкопластических характеристик пород при исследовании геологического строения, оценке напряжённого состояния и трещиноватости массива, эффективности ударного или взрывного воздействия на горные породы, при выборе звукоизолирующих материалов из природного камня.
Основные факторы, влияющие на акустические свойства горных пород
Характер распространения упругих колебаний в горных породах определяется акустическими параметрами пород. К ним относятся скорости распространения упругих волн, коэффициенты поглощения, отражения и преломления и волновое сопротивление.
Под скоростью волны понимают скорость распространения некоторой фазы упругих колебаний.
С увеличением модуля Юнга и коэффициента Пуассона возрастает скорость распространения продольной упругой волны. Скорость распространения поперечной волны увеличивается с увеличением Е и уменьшается с увеличением коэффициента Пуассона.
Распространение упругих волн в горных породах, так же как и в любом веществе сопровождается постепенным уменьшением их интенсивности (амплитуды) по мере удаления от источника излучения.
Интенсивность колебаний в большинстве случаев уменьшается по следующим причинам:
1. поглощение части энергии упругих колебаний породой и превращение ее в тепловую, обусловленную взаимным трением частиц породы, совершающих колебательные движения;
2. рассеивание акустической энергии на неоднородностях породы (порах, трещинах, вкраплениях и т.д.).
Амплитуда упругих колебаний И, характеризующая интенсивность колебаний
, связана с пройденным волной расстоянием X экспоненциальной зависимостью.
Коэффициент поглощения зависит как от свойств породы, так и от частоты колебаний f. Для большинства пород зависимость от f линейная. В глинистых породах коэффициент пропорционален.
Породы обладают сопротивлением распространению в них упругих волн, которое оценивается удельным волновым сопротивлением (акустической жесткостью) горной породы.
Удельное волновое сопротивление пород определяет их способность отражать и преломлять упругие волны. Отражение и преломление происходит либо на границе между породами с различными акустическими параметрами, либо при переходе упругих волн из внешней среды в породу (и наоборот).
К преломлению и отражению упругих волн можно применить законы геометрической оптики.
Коэффициентом отражения называется отношение энергии отраженной волны к энергии падающей волны. При этом углы падения и отражения звуковой волны от границы раздела равны.
а) общий случай;
б) момент внутреннего отражения продольной волны;
в) момент внутреннего отражения поперечной волны; и – углы падения и отражения; и – углы преломления продольной и поперечной волны.
Угол падения и угол преломления упругой волны, проникшей в горную породу, подчиняется закону Снеллиуса.
Отношение – называется коэффициентом преломления упругой волны относительно первой среды.
Больше колебания акустических свойств горных пород объясняются значительным разнообразием минерального состава, структуры, текстуры и влажности.
Увеличение плотности пород сопровождается ростом скорости распространения в них упругих волн и снижением потерь волновой энергии. Влияние основных внутренних и внешних факторов на скорости распространения упругих волн в горных породах приведены на рис.
В слоистых породах скорость упругих волн вдоль и поперек слоев различна, причем всегда > . Если порода состоит из слоев 2-х типов, то скорость упругих волн перпендикулярно слоям в простейшем случае при их равных удельных волновых сопротивлениях может быть вычислена по суммарному времени прохождения волн через все слои.
Отношение скоростей упругих волн вдоль и поперек слоистости породы характеризуется коэффициентом анизотропии.
Литература
Физическая акустика, Под редакцией У. Mэзона, пер. c англ., т. 3, ч. Б, M., 1968
Pжевский B. B., Ямщиков B. C., Aкустические методы исследования и контроля горных пород в массиве, M., 1973.
Кислов Н.В. Физико-механические свойства горных пород - Минск., БНТУ., 2007
Рязанцев Н.А., Носач А.К. Физика горных пород и процессов - Красноармейск: Красноармейский филиал ДонГТУ 1999
