Акустические свойства образцов горных пород

Акустические свойства характеризуют закономерности распространения в породах знакопеременных упругих деформаций (упругие колебания).

Упругие волны по частоте колебаний подразделяются на:

– инфразвуковые – частотой до 20 Гц;

– звуковые – частотой 20− 20000 Гц;

– ультразвуковые – частотой > 20 кГц;

– гиперзвуковые – частотой > 1000 МГц.

В зависимости от вида упругих деформаций выделяются волны: продольные – распространение деформаций попеременного объемного сжатия и растяжения в веществе; поперечные – распространение упругих деформаций сдвига. Продольные волны распространяются в любой среде – газах, жидкостях и твердых телах, т.к. все вещества обладают упругим сопротивлением объемному сжатию. Поперечные волны присущи только твердым телам, ибо в жидкостях и газах сопротивление сдвигу практически отсутствует.

Эти два вида волн распространяются по всему объему породы и поэтому называются объемными.

Частицы на поверхности горной породы находятся в особом состоянии, т.к. встречают меньшее сопротивление своим перемещениям в сторону свободной поверхности. В результате по ней возникают плоские поверхностные волны, которые характеризуются движением частиц по эллипсоидной траектории. Поверхностные волны присущи только твердым телам.

Основные акустические параметры пород – это скорости распространения упругих волн, коэффициент поглощения и волновое сопротивление. На контактах разных пород возникают явления отражения и преломления упругих волн, характеризующиеся соответствующими коэффициентами.

Обычно под скоростью волны понимается скорость распространения ее фронта и определяется по формулам волновых уравнений.

Скорость распространения упругих волн в горных породах определяется их упругими свойствами и плотностью.

Отношение скоростей продольных и поперечных волн является функцией коэффициента Пуассона:

υ _р / υ _q = √ 2 (1 – ν)(1 –2 ν), (2.13)

где υ _р – скорость распространения продольной волны;

υ _q – скорость распространения поперечной упругой волны.

Скорость распространения продольных волн возрастает с увеличением Е и ν. Максимальные скорости распространения упругих волн наблюдаются у малопористых пород, сложенных из темноцветных минералов, имеющих большой модуль Юнга (Е) – скорость распространения продольных волн в габбро, перидотитах, базальтах, скарнах достигается 6000− 7000 м/с.

Поскольку пористость снижает модуль Юнга пород, в пористых породах уменьшается и скорость распространения упругих волн (υ р).

В слоистых породах наблюдается различная скорость распространения упругих волн вдоль и поперек напластования, причем υ ║ > υ ┴.

На скорость распространения волн оказывают влияние также размеры зерен, слагающих породу. Как правило, скорость распространения упругих колебаний в тонкозернистых породах больше.

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.

Амплитуда упругих колебаний (U), характеризующая интенсивность колебаний, связана с пройденным волной расстоянием (X) экспоненциальной зависимостью

U = Uо* е-^{υ X}, (2.14)

где υ – коэффициент поглощения, м^-1.

Коэффициент поглощения упругих колебаний зависит как от свойств породы (упругих, тепловых и коэффициента внутреннего трения), так и от частоты колебаний.

Величина коэффициента поглощения всегда больше в тех породах, в которых скорость упругих колебаний меньше. С увеличением пористости пород υ значительно возрастает.

В расчетах часто используют произведение плотности породы на скорость распространения упругой волны в ней. Этот показатель (Z) носит название удельного волнового сопротивления.

Удельное волновое сопротивление пород определяет их способность отражать и преломлять упругие волны.

Контрольные вопросы

1. По каким признакам классифицируются горные породы?

2.На какие классы по характеру структурных связей между минеральными составляющими делят горные породы?

3. Какая классификация горных пород получила наибольшее распространение в горном деле?

4. Как подразделяются механические свойства горных пород?

5. Как подразделяются горные породы по плотности?

6. В чем проявляются упругие свойства горных пород?

7.Какие горные породы имеют увеличенные модули упругости: темноцветные или светлые?

8.Когда возникают пластические деформации в горных породах?

9.При каких нагрузках, приложенных перпендикулярно или параллельно слоистости, в горной породе наблюдаются наибольшие деформации ползучести?

10.Что такое релаксация напряжений в горной породе?

11.Какой характер носит связь между нормальным и касательным напряжением в горных породах?

12. Какие различают пределы прочности горных пород?

13.Какая теория прочности получила наибольшее распространение в горном деле?

14.Как графически изображается зависимость между предельными и касательными напряжениями в горной породе?

15.Как распространяются упругие колебания в горных породах?