CC BY
44
УДК 539.3
ЭМИССИЯ МИКРОЧАСТИЦ ПРИ ДЕФОРМИРОВАНИИ И РАЗРУШЕНИИ ОБРАЗЦОВ ГОРНЫХ ПОРОД В УСЛОВИЯХ ОДНООСНОГО СЖАТИЯ
© С.Д. Викторов, А.Н. Кочанов, А.А. Осокин
Институт проблем комплексного освоения недр РАН, г. Москва, Россия, e-mail: kochanov@mail.ru
Ключевые слова: микрочастица; разрушение; эксперимент; лазерная спектрометрия; горная порода; сжатие. Разработана методика и экспериментально установлено явление эмиссии микрочастиц при одноосном сжатии образцов горных пород с отверстием. Получены количественные оценки эмиссии частиц в диапазоне 0,3-5,0 мкм в зависимости от действующих напряжений.
Явление отрыва фрагментов горной породы от поверхности обнажения имеет место при высокой внутренней энергии геоматериала. В масштабе макроразрушения оно хорошо известно как явление стреляния и шелушения пород со стенок горных выработок, а в микромасштабе - как фрактоэмиссия [1-2]. С целью изучения возможности эмиссии микрочастиц со свободной поверхности горных пород при квазистатиче-ском нагружении разработана оригинальная методика лабораторных испытаний [3]. Для испытаний образцов горных пород в них создавался измерительный объем (сквозное отверстие), который соединялся с атмосферой через специальный воздушный фильтр, а другой выходной конец гибкой трубки присоединялся к счетчику аэрозольных частиц HAND HELD 3013 (США), с помощью которого определялось количество образующихся минеральных частиц в диапазоне 0,3-5,0 мкм. При проведении экспериментов образцы горных пород подвергались одноосному сжатию на прессе.
По результатам экспериментов на рис.1 показано количество образовавшихся частиц для различных горных пород за время 60 сек при уровне напряжений 0,5-0,8 а (а - предел прочности на сжатие). На рис. 2 представлена зависимость количества образовавшихся микрочастиц для образцов гранита и уртита от напряжения сжатия.
Как следует из графиков, эмиссия микрочастиц для известняка наблюдалась в диапазоне размеров 0,30,5 мкм, а частицы размером более 0,5 мкм практически не генерировались. Для образца доломита наибольшее количество частиц наблюдалось в диапазоне размеров 0,5-5,0 мкм, а для гранита - в диапазоне 0,3-0,5 и 0,5-5,0 мкм. Результаты экспериментов указывают на значительное увеличение эмиссии частиц при достижении определенного порога напряжений.
На примере гранита на рис. 3 представлена зависимость эмиссии микрочастиц от времени наблюдений (время каждого цикла равно 10 с) при заданном уровне нагружений 0,6а . Как следует из эксперимента, наибольшее количество частиц фиксируется в первые 10 с с момента достижения заданного уровня нагружения. Очевидно, что это связано со временем перераспределения напряжений на контуре отверстия.
Следует отметить, что количество генерируемых микрочастиц, их дисперсный состав при испытаниях образцов одного типа породы в отдельных случаях существенно различался. Это объясняется различной степенью микротрещиноватости образцов, наличие которой предопределяет протекание процессов деформирования и разрушения образцов. В табл. 1 представлены результаты экспериментов по оценке количества образовавшихся микрочастиц для образцов гранита при одинаковом уровне нагружения. Белый гранит отличался сильной анизотропией упругих и акустических свойств, обусловленной микротрещиноватостью. В табл. 1 также приведены данные о количестве частиц в атмосфере (воздухе) в месте проведения эксперимента.
ВЫВОДЫ
Экспериментально установлено явление эмиссии микрочастиц при одноосном сжатии образцов горных пород с отверстием. Получены количественные оценки эмиссии частиц в диапазоне 0,3—5,0 мкм в зависимости от действующих напряжений. Дисперсный состав генерируемых частиц, динамика их образования зависят от петрографических особенностей горных пород и степени их напряженности. При достижении определенного критического уровня напряжений образца наблюдается резкое возрастание интенсивности эмиссии, которое является индикатором приближающегося его макроразрушения.
I Q,3 -0,5 мкм
1- 800
3 з* 700
S
і— и 600
га
т о 500
ш
к J 400
0)
7 S 300
с:
200
100
0
■ 0,5-5 мкм
■ >5 мкм
.
Доломит
Гранит
Рис. 1. Распределение образовавшихся микрочастиц по размерам при одноосном сжатии образцов горных пород
3
if
s
=:
о
—400— >—0,3-0, 5 мкм
k— >5 мкл
Q~A
-0,2 1Е-15 0,2 0,4
Относительный уровень нагружения, а/а*
2000
0,6
э
=?
=:
о
— U, J --0.5-1 J,b MKf MKM 1
>5 м KM
, w >
1750
1500
1250
1000
750 500 250 0
О 0,2 0,4 0,6 0,8
Относительный уровень
нагружения, а/а*
б
Рис. 2. Зависимость эмиссии микрочастиц от напряжения сжатия для образца гранита (а) и уртита (б)
350
Э 300
= 250
? 200 о
£ 150
(_)
0)
х 100
о 50
о
-0,3-0,5 л 1KM
0,5-5 ftiK и
-5-lOftiKft
20
40
60
80
100
Время наблюдений, сек
Рис. 3. Динамика генерации микрочастиц в граните при фиксированном уровне напряжений
Таблица 1
Количественная оценка эмиссии частиц
Среда Диапазон, мкм
0,3-0,5 0,5-5 5-10
Гранит (белый) 8986 18252 3641
Гранит (красный) 61 59 2
Воздух 105 104 40
ЛИТЕРАТУРА
1. Одинцев В.Н. Отрывное разрушение скальных горных пород. М.: ИПКОН РАН, 1996. 166 с.
2. Уракаев Ф.Х., Массалимов И.А. Флуктуации энергии и эмиссионные явления в устье трещины // ФТТ. 2005. Т. 47. Вып. 9. С. 16141618.
3. Викторов С.Д., Кочанов А.Н., Осокин А.А. Определение состояния предразрушения горных пород по генерации микро- и нанораз-мерных частиц // ГИАБ. 2010. № ОВ1. С. 88-93.
Поступила в редакцию 15 апреля 2010 г.
Victorov S.D., Kochanov A.N., Osokin A.A. Emission of microparticles at deformation and destruction of samples of rocks in the conditions of uniaxial compression. The technique is developed and the phenomenon of issue of microparticles is experimentally established at uniaxial compression of samples of rocks with an aperture. Quantitative estimations of issue of particles in a range 0,35,0 microns depending on operating pressure are received.
Key words: microparticle; destruction; experiment; laser spectrometry; rock; compression.
а
