CC BY
33
______________________________________ © С.Д. Викторов, В.В. Кудряшов,
А.Н. Кочанов, Е.А. Соловьева, 2009
УДК 622.235.5:622.33.02
С.Д. Викторов, В.В. Кудряшов, А.Н. Кочанов,
Е.А. Соловьева
ИССЛЕДОВАНИЕ ВНОВЬ ОБРАЗОВАННОЙ ПОВЕРХНОСТИ И КРУПНОСТИ МИНЕРАЛЬНЫХ ЧАСТИЦ ПРИ ВЗРЫВНОМ РАЗРУШЕНИИ ОБРАЗЦОВ ГОРНЫХ ПОРОД
Разработана методика и проведены экспериментальные исследования по оценке микроструктурных изменений в образцах в результате взрывного нагружения. Показано, что удельная поверхность образцов после взрыва в 15-20 раз больше поверхности исходных образцов.
Ключевые слова: образец, удельная поверхность, минеральная частица, взрывное разрушение, горная порода, эксперимент, структура
ТЖ зучение микроструктурных изменений горных пород,
.Ж-Ж- фракционного состава продуктов их разрушения при взрыве имеет большое значение для понимания механизма разрушения горных пород. С этой целью проведены экспериментальные исследования по оценке микроструктурных изменений, а также величины вновь образованной поверхности и крупности минеральных частиц образцов гранита, песчаника, и уртита до и после взрывного нагружения.
Основными породообразующими минералами гранита являются натриево-калиевый полевой шпат, кварц, плагиоклаз, их содержание соответственно составляло 37-42, 24-30 и 18-22 %. Натриево-калиевый полевой шпат представлен микроклином и ортоклазом, которые выделяются в виде кристаллов размером 1.0 -3.0 мм. Кварц образует зерна неправильной формы, а плагиоклазы наблюдаются в виде таблитчатых кристаллов. Песчаник кварцевый, слюдистый, мелкозернистый представлял собой конгломерат практически не трещиноватых зерен кварца, слабо сцементированных между собой. Процентное содержание кварца составляет около 99 %, средний размер зерен равен 0,21-0,29 мм, размер пор изменялся в диапазоне от 0,06 до 0,13 мм, а пористость - от 7 до 9%. Петрографические исследования уртита не проводились.
Таблица 1
Физико-механические свойства минералов, слагающие образцы горных пород___________
Минерал Плот- ность, г/см3 Предел прочности на сжатие, МПа Предел прочности на растяжение, МПа Скорость продольных волн, м/с Скорость поперечных волн, м/с
Кварц 2,66 400 21 6000 4000
Микроклин 2,6 120 12 6130 3380
Ортоклаз 2,54 - - 5680 3090
Нефелин 2, 6 110 10,8 5900 3450
Основные свойства породообразующих минералов представлены в табл. 1 по данным работы [1].
Взрывное нагружение осуществлялось по методике, подробное описание которой дано в работе[2]. Образцы горных пород в виде пластинок размером 35х35х5 мм помещались в специальные стальные ампулы сохранения. Накладной заряд состоял из тротиловых шашек общей массой 540 г и располагался на крышке ампулы. После воздействия образцы горных пород, заключенные в ампулы, представляли собой монолитную спрессованную массу без видимых макронарушений. В тоже время данные электронной микроскопии, полученные с помощью сканирующего микроскопа LEO 1450VP (Германия), свидетельствуют о том, что произошло существенное изменение микроструктуры образцов горных пород в результате взрывного воздействия. В качестве примера, наглядно подтверждающего изменение микроструктуры образцов, представлены на рис.1 характерные изображения поверхности образцов гранита до и после взрывного нагружения.
Определение площади удельной поверхности образцов проводилось на приборе “Accusorb” по низкотемпературной сорбции паров азота [3]. Для расчета удельной поверхности используется линейная форма уравнения изотермы адсорбции:
_Р =_^+(C-l)P, (1)
V(P - P) VmC VC Po
где P0 - давление насыщенного пара, мм. рт. ст.; V - равновесное количество поглощенного адсорбата, мл/г; P - равновесное давление, мм. рт. ст.; Vm объем сорбата, покрывающего а б
Рис. 1. Электронно-микроскопический снимок фрагмента поверхности образца гранита до (а) и после (б) взрывного воздействия
монослоем 1 г сорбента при нормальных условиях, мл/г; С -величина, характеризующая время пребывания молекулы в первом слое и в жидкости.
Уравнение (1) в интервале относительных давлений от 0,01 до
0,35, в котором происходит заполнение мономолекулярного слоя, дает прямую линию в координатах Р/ Р0 и Р/ У(Р0 - Р) с тангенсом угла наклона Ь = (С - 1)/ УтС и отрезком, отсекаемым на оси ординат а = 1/ Ут С. Отсюда вычисляют объем сорбата:
Ут = 1/(а+Ь) (2)
и удельную поверхность образцов:
S = Ут ^т10-20/М= 4,35Ут = 4,35/(а+Ь), (3)
где N — число Авогадро; Ат - площадь, занимаемая молекулой сорбата в заполненном монослое, А2; М - молярный объем адсор-бата, мл.
При проведении экспериментальных исследований навеску образца помещают в бюретку, подсоединенную к вакуумной линии прибора, и дегазируют при температуре 60°С до постоянного остаточного давления ~ 10-4 торр. После окончания дегазации бюретку с образцом погружают в сосуд Дьюара с жидким азотом, замеряют с помощью гелия свободный объем колбы и вновь дегазируют образец. Затем в бюретку подают заданный объем газообразного азота, и после установления равновесия фиксируют давление. По полученным данным строят график в координатах БЭТ и рассчитывают удельную поверхность образцов, за величину которой принимается среднее значение, полученное из трех экспериментов. По-
грешность определения удельной поверхности образцов горных пород не превышала 5%.
Определение истинной плотности образца сводится к оценке его объема как разности объема пустой колбы и объема колбы с предварительно дегазированным образцом. Для замера объемов используют гелий, так как его молекулы проникают во все открытые поры и в условиях эксперимента (при комнатной температуре) не сорбируются образцом. По объему и массе образца вычисляют его плотность. Погрешность определения плотности не превышала 1,7% измеряемой величины.
По величине удельной поверхности и истинной плотности образца можно оценить средний радиус (Я, см) частиц образцов горных пород до и после взрывного воздействия:
R= 3Ш, (4)
где 8 - удельная поверхность образца, см /г; d - плотность по гелию, г/см3.
Этот радиус является условной характеристикой разрушенного материала, в которой не учтена форма частиц, изрезанность их «береговой линии», форма пор и др.
Кроме того, образцы породы после взрывного воздействия подвергались измельчению в агатовой ступке с целью выяснения влияния механического воздействия на крупность образовавшихся частиц и для последующего изучения дисперсного состава продуктов разрушения. Результаты выполненных исследования представлены в табл. 2.
Из представленных материалов вытекает следующее.
1. Средний размер структуры исходных образцов для песчаника составляет 10,2 мкм, для гранита - 21,01 мкм, для уртита - 28,13 мкм
2. Удельная поверхность образцов после взрывного разрушения оказалась в 15-20 раз больше поверхности исходных образцов, а их условный средний радиус стал во столько же раз меньше.
3. Механическое разрушение образцов после взрыва до порошкообразного состояния практически не изменяет их удельную поверхность и средний размер, что говорит о высокой прочности образовавшихся частиц (микроблоков).
Таблица 2_________________________________________________________
Горная | Состояние образца | Площадь | Плотность | Средний ~
порода удельной поверхности, 8, м2/г образца, Д, г/см3 размер частиц образца, R, мкм
Песчаник исходный 0,10 2,938 10,20
после взрыва 1,61 2,914 0,64
измельченный 1,56 2,904 0,66
Гранит исходный 0,05 2,731 21,01
после взрыва 1,16 3,053 0,85
измельченный 1,36 3,945 0,56
Уртит исходный 0,03 3,504 28,13
после взрыва 0,73 3,840 1,07
измельченный 0,83 3,684 0,98
4. В результате взрывного воздействия происходит дробление и изменение микроструктуры образцов, что показали исследования с помощью электронной микроскопии.
5. Плотность образцов и образовавшихся частиц осталась практически неизменной за исключением плотности гранита, которая после взрывного разрушения увеличилась. Этот факт нуждается в объяснении.
Можно предположить, что в исходном образце имелись закрытые поры, куда молекулы гелия не могли проникнуть. После взрывного воздействия поры вдоль поверхности обнажения оказались открытыми для гелия, в результате измеренный объем вещества увеличился, а плотность уменьшилась. Поэтому плотность его была не большой.
6. Зная средний размер частиц и закон распределения продуктов разрушения по размерам [4], можно определять содержание наноразмерных частиц, образующихся в результате разрушения образцов взрывом.
------------------------------------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Ржевский В.В. Основы физики горных пород. М.: Недра, 1978
2. Викторов С.Д., Кочанов А.Н., Матвеев А.В., Зильбершмидт М.Г. Оценка изменений свойств и состояния горных пород в результате интенсивного динамического нагружения/ Записки Горного института 2007.-т.171.- С. 86-90
3. Грэг С., Синг К. Адсорбция, удельная поверхность, пористость. М.: Мир, 1984.
4. Кудряшов В.В., Викторов С.Д., Кочанов А.Н. О распределении минеральных частиц по размерам при разрушении горной породы. //Физико-
Victorov S.D., Kudryashov V. V., Kochanov A.N.,
Soloveva E.A.
RESEARCH OF AGAIN FORMED SURFACE AND TINENESS OF MINERAL PARTICLES AT EXPLOSIVE DESTRUCTION OF ROCK SAMPLES
Methodology of investigation of the samples under explosive rupture was developed. And also the investigations of the results of destruction products were done. It was shown that specific structure of the samples after explosion is higher in 15-20 times than the surface of the original samples.
Key words: sample, mineral particle, structure, specific surface, explosive rupture,
rock
— Коротко об авторах ------------------------------------------------------
Викторов С.Д. - профессор, доктор технических наук, УРАН ИПКОН РАН, зам. директора, e-mail: [email protected]
Кудряшов В.В. - профессор, доктор технических наук, УРАН ИПКОН РАН, в.н.с., e-mail: [email protected]
Кочанов А.Н. - кандидат технических наук, УРАН ИПКОН РАН, с.н.с.,
e-mail: [email protected]
Соловьева Е.А. - УРАН ИПКОН РАН, н.с.,
e-mail: [email protected]
