Резонансный метод определения температурных зависимостей коэффициента механических потерь в горных породах

Коэффициент механических потерь горных пород d учитывается при ведении взрывных работ, в геомеханике, сейсмомониторинге удароопасных массивов, прогнозировании землетрясений, сейсморазведке, в неразрушающем контроле при оценке долговременной устойчивости массива пород и подземных сооружений. Методом резонансной акустической спектроскопии установлена частотная зависимость коэффициента потерь путем оценки параметров резонансов, возникающих в образцах пород при возбуждении продольных колебаний с помощью пьезопреобразователей. Для отработки методики испытаний эксперименты проводились на образце известняка диаметром 20 мм и длиной 120 мм при частотном сканировании в диапазоне от 10 до 80 кГц, также велась ручная съемка вокруг частот амплитудных максимумов, позволявшая сделать более точные измерения (модальный анализ). Для валидации производилось сравнение скоростей упругих волн и модулей упругости, полученных двумя методами. Первый – по частоте основной моды колебаний, а второй – путем измерения скоростей продольных и поперечных упругих волн. Установлено, что при повышении температуры образца частотные максимумы смещаются в сторону низкочастотной области. Коэффициент потерь d возрастает при увеличении как частоты, так и температуры. Проведенные лабораторные экспериментальные исследования создают основу для разработки методик многочастотного акустического контроля состояния горных пород при переходе добычных работ на глубины более 1000 м в условиях повышенной температуры породных массивов.

Вознесенский А. С., Франсишку Т., Куткин Я. О., Красилов М. Н. Резонансный метод определения температурных зависимостей коэффициента механических потерь в горных породах // Горный информационно-аналитический бюллетень. – 2025. – № 11. – С. 19–33. DOI: 10.25018/0236_1493_2025_11_0_19.

Статья подготовлена при финансовой поддержке Российского научного фонда, грант № 24-27-00103 (https://rscf.ru/project/24-27-00103/).

Вознесенский Александр Сергеевич¹ — д-р техн. наук, профессор, e-mail: asvoznesenskii@misis.ru, ORCID ID: 0000-0003-0926-1808,
Франсишку Текадиомона¹ — аспирант, e-mail: m1708475@edu.misis.ru, ORCID ID: 0009-0006-5485-6420,
Куткин Ярослав Олегович¹ — канд. техн. наук, доцент, e-mail: kutkin.yo@misis.ru, ORCID ID: 0000-0003-2644-3371,
Красилов Максим Николаевич — канд. техн. наук, зав. лабораторией, ООО «НИЦ Тоннельной ассоциации», e-mail: krasilov.mn@nizta.ru, ORCID ID: 0000-0001-9442-1866,
¹ Университет науки и технологий МИСИС.

Вознесенский А. С., e-mail: asvoznesenskii@misis.ru.

1. Rayleigh B. The theory of sound. Vol. 2. New York, 1945, 504 p.

2. Головин И. С. Неупругость, внутреннее трение и механическая спектроскопия металлических материалов. — М.: Издательский Дом НИТУ «МИСИС», 2020. — 284 с.

3. Mochugovskiy A. G., Mikhaylovskaya A. V., Zadorognyy M. Y., Golovin I. S. Effect of heat treatment on the grain size control, superplasticity, internal friction, and mechanical properties of zirconiumbearing aluminum-based alloy // Journal of Alloys and Compounds. 2021, vol. 856, article 157455. DOI: 10.1016/j.jallcom.2020.157455.

4. Blanter M. S., Golovin I. S., Neuhäuser H., Sinning H. R. Internal friction in metallic materials. Springer Series in Materials Science. Springer-Verlag Berlin, Heidelberg, 2007, 541 p.

5. Zhou G., Jiang H., Liu C., Huang H., Wei L., Meng Z. Effect of porous particle layer on damping capacity and storage modulus of AlSi30p/5052Al composites // Materials Letters. 2021, vol. 300, article 130162. DOI: 10.1016/j.matlet.2021.130162.

6. Zhou S., Yang Z., Zhang R., Li F. Preparation, characterization and rheological analysis of ecofriendly road geopolymer grouting materials based on volcanic ash and metakaolin // Journal of Cleaner Production. 2021, vol. 312, article 127822, DOI: 10.1016/j.jclepro.2021.127822.

7. Yang J., Ishikawa T., Lin T., Tokoro T., Nakamura T., Momoya Y. Influence of aging on hydromechanical behavior of unsaturated ballast // Transportation Geotechnics. 2021, vol. 27, article 100480. DOI: 10.1016/j.trgeo.2020.100480.

8. Kosilov A. T. Dissipative properties of materials with thermoelastic martensite conversion // Soviet Physics Journal. 1985, vol. 28, pp. 380—389. DOI: 10.1007/BF00892271.

9. Krishnan R. V., Delaey L., Tas H., Warlimont H. Thermoplasticity, pseudoelasticity and the memory effects associated with martensitic transformations // Journal of Materials Science. 1974, vol. 9, pp. 1536—1544. DOI: 10.1007/BF00552940.

10. Schröder E., Sievi A. New measurement method for bending loss factor and the bending stiffness: Test method / Proceedings of the 10th Convention of the European Acoustics Association Forum Acusticum, 2023, Torino, Italy, DC/ConfOrg. 2023, pp. 1079—1085. DOI: 10.61782/fa.2023.0878.

11. Dessi C., Coppol S. Vlassopoulos D. Dynamic mechanical analysis with torsional rectangular geometry: A critical assessment of constrained warping models // Journal of Rheology. 2021, vol. 65, no. 3, pp. 325—335. DOI: 10.1122/8.0000207.

12. Voznesenskii A. S., Ushakov E. I. Temperature dependence of internal mechanical losses of gypsum stone with complex composition and structure // Journal of Alloys and Compounds. 2022, vol. 906, article 164194. DOI: 10.1016/j.jallcom.2022.164194.

13. Liu Y., Dai F. A review of experimental and theoretical research on the deformation and failure behavior of rocks subjected to cyclic loading // Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering. 2021, vol. 13, no. 5, pp. 1203—1230. DOI: 10.1016/j.jrmge.2021.03.012.

14. Собисевич А. Л., Зверева А. С., Лиходеев Д. В. К вопросу о затухании объемных волн в Эльбрусской вулканической области // Доклады Академии Наук. — 2019. — Т. 486. — № 4. — С. 480—484.

15. Зверева А. С., Собисевич А. Л., Габсатарова И. П. Добротность геофизической среды восточной зоны Северного Кавказа // Физика Земли. — 2024. — № 1. — С. 1—17. DOI: 10.31857/ S0002333724010091.

16. Aki K., Chouet B. Origin of coda waves: Source, attenuation and scattering effects // Journal of Geophysical Research. 1975, vol. 80, no. 23, pp. 3322—3342. DOI: 10.1029/JB080i023p03322.

17. Tittman B. R., Abdel-Gawad M., Housley R. M. Elastic velocity and Q factor measurements on Apollo 12, 14, and 15 rocks / Proceedings of the Third Lunar Conference (Supplement 3, Geochimica et Cosmochimica Acta). The M. I. T. Press, 1972, vol. 3, pp. 2565—2575.

18. Салюков В. С., Вознесенский А. С., Куткин Я. О. Внутренние механические потери в габбро при периодических воздействиях в низкочастотном диапазоне // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2024. — № 11. — С. 64—74. DOI: 10.25018/0236_1493_2024_ 11_0_64.

19. Меркулова В. М. Изменение коэффициента затухания ультразвука в горных породах после нагрева // Акустический журнал. АН СССР. — 1973. — № 6. — С. 920—922.

20. Меркулова В. М., Пигулевский Е. Д., Цаплев В. М. Измерение поглощения звука в горных породах при одноосном сжатии // Известия АН СССР, Физика Земли. — 1972. — № 3.

21. Lebedev A. V., Ostrovskii L. A., Sutin A. M., Soustova I. A., Dzhonson P. A. Resonant acoustic spectroscopy at low Q factors // Acoustical Physics. 2003, vol. 49, pp. 81—87. DOI: 10.1134/1.1537392.

22. Lebedev A. V., Bredikhin V. V., Soustova I. A., Sutin A. M., Kusunose K. Resonant acoustic spectroscopy of microfracture in a Westerly granite sample // Journal of Geophysical Research: Solid Earth. 2003, vol. 108, no. B10. DOI: 10.1029/2002JB002135.

23. Penn S. D., Ageev A., Busby D., Harry G. M., Gretarsson A. M., Numata K., Willems P. Frequency and surface dependence of the mechanical loss in fused silica // Physics Letters A. 2006, vol. 352, no. 1—2, pp. 3—6. DOI: 10.1016/j.physleta.2005.11.046.

24. Voznesenskii A. S., Ushakov E. I., Kutkin Ya. O. Fracture toughness of rock-concrete interfaces and its prediction based on acoustic properties // Mining Science and Technology(Russia). 2025, vol. 10, no. 1, pp. 5—14. DOI: 10.17073/2500-0632-2024-10-316.

25. Davis E. S., Sturtevant B. T., Sinha D. N., Pantea C. Resonant Ultrasound Spectroscopy studies of Berea sandstone at high temperature // Journal of Geophysical Research: Solid Earth. 2016, vol. 121, no. 9, pp. 6401—6410. DOI: 10.1002/2016JB013410.

26. Ушаков Е. И. Акустическая добротность многослойных горных пород / Акустика среды обитания (АСО—2021): Шестая Всероссийская конференция молодых ученых и специалистов. Материалы конференции. — М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2021. — С. 261—267.