CC BY
66
ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ГОРНОГО ПРОИЗВОДСТВА
^ : М.Г. Менжулин, : Н.В. : Соколова, :::: ......А.Н. : Шишов,: 2000: : '.
УДК 622.026.01
М.Г. Менжулин, Н.В. Соколова, А.Н. Шишов
НАВЕДЕННАЯ ТРЕЩИНОВАТОСТЬ, РАЗУПРОЧНЕНИЕ И РАЗРУШЕНИЕ СКАЛЬНЫХ ГОРНЫХ ПОРОД ПРИ СВЧ-НАГРЕВЕ
С
ВЧ-электромагнитное излучение проникает в кварцсодержащую горную породу на достаточно большие глубины, испытывая частичное поглощение по мере распространения. Гранит состоит из набора различных по химическому составу основных минералов: кварц, полевой шпат, слюда, которые ведут себя двояко по отношению к СВЧ -нагреву. Каждая из минеральных компонент обладает своими индивидуальными электрическими свойствами, которые обуславливают поглощение. С другой стороны, могут быть введены и некоторые усредненные диэлектрические параметры среды (для гранита є = 5, ^8 = 0,015-0,018 на частоте 2,4 ГГц).
В начальный момент времени воздействия СВЧ-энергии на породу, когда теплопроводность еще не успевает проявиться, наблюдается существенная неоднородность
температуры нагрева минералов, входящих в состав данной породы. Кроме того, благодаря разнице в температурах и коэффициентах термического расширения,
наблюдаются существенно различные по параметрам микронапряжения, что усугубляется наличием структурной неоднородности и естественной микротрещиноватости, приводящих к появлению концентраций
напряжений.
Через некоторое время после начала СВЧ-воздействия происходит выравнивание температуры по образцу гранита. Однако вследствие различия коэффициентов
термического расширения
существенная неоднородность
напряжений возрастает. Даже при относительно невысоких
температурах напряжения у границ отдельных минералов могут превысить макроскопические пределы прочности минералов и даже возникнуть растягивающие
напряжения.
Особые условия создаются в зернах кварца, в которых действуют растягивающие напряжения,
приводящие к их хрупкому разрушению на фоне средних сжимающих напряжениях полевого шпата [1]. Причиной этого является неравномерное расширение кварца по различным кристаллографическим направлениям. Наиболее четко
эффективность теплового воздействия проявляется вследствие
полиморфного превращения а-кварца в Р-кварц в интервале температур (573-575)0С и сопровождается мгновенным увеличением объема на
0,86 % [2].
Эффективность применения электромагнитного излучения для разупрочнения крепких горных
пород может быть достаточно
убедительно обоснована на основе сопоставления процессов развития микротрещиноватости при двух типах нагрева: конвекционном и
СВЧ.
Для гранитов характерны следующие категории структуры минералов с порогом их насыщения дефектоёмкостью:
• минералы с жесткой структурой и с низким порогом дефектоёмкости (26 % кварца);
• минералы с подвижной
структурой, высокой растворимостью дефектов и высоким порогом насыщения дефектоемкости (5 %
слюда);
• минералы с переменной структурой, состоящие как из жестких структурных элементов, так и из подвижных связующих, поэтому значение дефектоемкости и ход насыщения в таких структурах имеют монотонно-дискретный характер (36 % полевые шпаты).
Исследование процесса СВЧ-нагрева выполнены на установке «Парус» с рабочей частотой 2375 МГц и выходной мощностью 1,8 кВт. Измерение температуры
осуществлялось с помощью термопары и измерителя Щ68002-01. Хотя гранит не является минеральным сырьем для получения чистых мономинеральных фракций, он является хорошим материалом для испытания этого метода в силу того, что минералы, входящие в его состав, обладают необходимым набором свойств. Распределение трещин по поверхности в естественном состоянии и после нагревания проводились с помощью микроскопа «Мир-2» на образцах сечением 1,0 х 1,8 см2 длиной 20 см для двух типов гранита: серый гранит из района Каменогорска и красный гранит из месторождения с Кашиной горы Карелии. Исследование
трещиноватости в области от 0 до 1 мм выполнялась на площади Sl = 0,04 см2, а длиной более 1 мм на площади S2 = 2,25 см2, в дальнейшем
количество трещин сводятся к единой площади с помощью нормированного коэффициент к = S2 / S1.
Одной из особенностей определения концентрации трещин по длине с использованием различного увеличения является необходимость «сшива-ния» различных интервалов распределения, т.к. измеряемой величиной в распределении является вероятность и необходимо, чтобы области наложения вероятности рассматриваемых диапазонов длин трещин L1 = 0-1,0 мм и L2 = 1,0-15 мм совпадали; определение длин трещин в первом интервале производится с шагом д 11 = 0,1 мм, для второго - Д12 = 1 мм.
Таким образом, количество всех трещин на исследуемой площади составит:
п* = 2Ди0-1 • к + 1Ди1-15, ,
где £ п0-1 • к - суммарное
количество трещин первого интервала от 0 до 1 мм, измеренных с шагом 0,1 мм и приведенное с помощью
поправочного коэффициента к общей исследуемой площади; £>1-15 - суммарное количество
трещин второго интервала от 1 до 15 мм с шагом 1 мм на всей исследуемой площади.
Результаты исследования
микротрещиноватости в породе до и после нагрева приводятся на графиках, где по оси абсцисс откладывается длина трещин, по оси ординат значения
F = (• к) • 112ор /п, ,
Д1
где Ди. - количество трещин для данного шага длин; Д1; 2 - шаг
длины трещин Д11 =0,1 мм и Д12 = 1 мм.; к - поправочный коэффициент по площади: к1 =
56,26, к2 = 1; - общее
количество трещин; 1ср - средняя длина трещины 1-го интервала.
Такое представление
координатных осей выбрано с учетом особенностей накопления трещин. В ряде работ, в частности [1, 2] показывается, что при любом типе нагрузки - механическом, термическом, электрофизическом -происходит в начале накопление мелких трещин до их некоторой
*
критической концентрации пу в единице объема, после чего начинается попарное или множественное слияние с образованием укрупненных трещин. Таким образом, количество трещин некоторого размера 11 в единице объема не должно превышать величины п1(11), которая 1
определяется как и. =
составляет для различных горных пород величину К = 2,7 + 6.
Концентрация следов трещин на поверхности образца п, ,
соответствующая объемной
концентрации пу составляет
п, = п2/3. Тогда для критической концентрации трещин на
поверхности п =
трещин
1
К 31,3
где К - концентрационный
параметр слияния трещин и
- к212
На основании оптической микроскопии предварительно
исследовали образцы гранита при конвекционном нагреве. Для серого гранита при Тн = 200 0С. выявлены три максимума концентрации трещин п, = 372, площадь хрупкого разрушения составила Д$ =0,7587 мм2. Плоскостная дефектоемкость Д = =1,65 мм"2. При Тн = 3000С максимум концентрации трещин длиной 0,95 мм появляется за счет слияния трещин длиной 0,55 и 0,85 мм с более мелкими трещинами, которое приводит к уменьшению их количества на 30 % и появлению двойниковых сростков на площади Д S = 0,5087 мм2. Прирост длины трещин Д1 = =29,1 мм. Д = 1,15 мм-2.
По сравнению с серым гранитом образцы красного гранита имеют более ярко выраженную
микротрещиноватость. Температурные исследования
динамики развития
микротрещиноватости красного гранита при конвекционном нагреве представлена на рис. 1.1-1.6, где пунктирной линией показано распределение естественной
трещиноватости (Тн = 20оС).
Для образца нагретого до температуры 1000С (рис. 1.1.) характерны четыре максимума концентрации трещин, с
максимальной относительной
концентрации трещин Е0,55 = =0,18. Количество трещин (п, =
= 802) увеличилось за счет
увеличения микротрещин длиной менее 1 мм на 47 % и длиной более 1 мм на 20 %. Д I = 28,78 мм. Д = 3,56 мм -2. При Тн = 2000С (рис.
Увеличение количества трещин происходит за счет возрастания трещин длиной 0,15 мм. Д = 4,0 мм-2. При этом общая длина трещин равна 429 мм, которая возросла на Д I = 192,1 мм.
Иная картина распределения наблюдается при Тн = =300°С (рис.
1.3.) - два максимума
относительной концентрации
трещин Г0,25 = 0,184 и Г0,95 = 0,5 3 3. п, = 363,4 мм, ДI = 9,41 мм. Характерно образование субблоков и переход к типично межзерновому расщеплению
поликристаллического агрегата, которая наблюдается и при температуре 400°С, хотя картина распределения концентрации
трещин несколько меняется. Вновь наблюдаем четыре максимума распределения (рис. 1.4.), с максимальной относительной
концентрацией Г0,85 = 0,416.
Увеличение количества трещин происходит за счет роста концентрации трещин длиной 0,35 мм. Характерно появление более длинных трещин I = 2,5 мм (Е
=0,609). Д = =3,78 мм-2.
При Тн = 500°С (рис. 1.5.) происходит рост трещин длиной более 0,35 мм с максимумом концентрации Е0,65 = 0,178. Д = 3,67 мм-2, меняется цвет гранита, имеется межблочная и межзерновая трещиноватости, а также и начало возникновения зерновой
трещиноватости, проходящую по минералам кварца и калиевого полевого шпата.
Дальнейшее увеличение
температуры нагрева образца Тн = 600°С приводит к увеличению зерновой трещиноватости всех минералов, входящих в состав гранита, к расщеплению
межзерновых субблоков и отсутствию её чёткой картины. Д1 = 115,5 мм.
Д = 4,9 мм-2. Результаты
исследования гранита при СВЧ-
1.2.) Е0,45-= 0,221.
= 899.
п
Таблица
^ мин. Тн, оС F п* Д1, мм. Д, мм-2
серый гранит - 2 94 Fo,85=0,722 80 0,03 0,636
3 160 Fo,95=0,989 447 68 1,99
4 226 Гх,5=0,514 303,3 58,9 1,35
6 285 Fo,65=0,47 145 22,5 0,324
10 367 Fl,5=0,232 621 66,2 2,76
красный гранит 2 97 Fo,75=0,485 335,8 135,8 1,49
4 215 Fo,65=0,234 506 176,7 2,25
нагреве представлены в таблице, а распределение трещиноватости по поверхности на рис. 2.1-2.5. Анализируя данные, полученные при СВЧ-нагреве (Тн = 226°С) и
конвекционном нагреве, следует отметить более значительный рост концентрации трещин при СВЧ-нагреве, где дефектоемкость увеличилась на 70 %, в то время как при нагреве в муфельной печи на 44 %.
При воздействии СВЧ-энергии t = 6 мин. на объем породы 418 см3 произошел раскол четырёх центральных балок с ядром рабочего тела объемом 75 см3. В пучностях стоячих волн образуется концентрация СВЧ-энергии, которая составляет около 1/8 длины волны в породе, и образец гранита длиной 20 мм дробится на 3 куска.
Выводы: Разработанная методика определения рациональных
параметров воздействия СВЧ-
энергией на разупрочнение крепких горных пород в поле стоячих электромагнитных волн позволяет на основании изучения динамики развития наведенной
микротрещиноватости обосновать эффективные параметры воздействия СВЧ-энергии на кварцсодержащие горные породы для их разупрочнения и разрушения.
1. В результате температурных исследований выявлен механизм структурного состояния основных минералов кварцсодержащих горных пород (грани-тов), на основании которых можно сделать прогнозную оцен-ку снижения прочности и технологических их свойств в результате воздействия СВЧ-поля.
2. Как показали исследования при нагревании образца до 2000С в течении 3-6 минут происходит увеличение наведенной микротрещиноватости на 50 %.
3. В процессе экспериментов удалось проследить развитие различных типов
микротрещиноватости в граните в зависимости от времени воздействия СВЧ - энергии:
• в режиме 1 стадии структурных изменений (Тср = 2000С, t = 4 мин.), происходит разупрочнение породы в результате развития микротрещин по границам зерен минералов;
• в режиме 2 стадии структурных изменений (Тср. = 4000С, t = 6 мин.), наблюдаем в структуре гранита образование субблоков, которое приводит к упрочнению зерен кварца;
• в режиме 3 стадии структурных
изменений при температуре выше 6000С происходит разупрочнение и разрушение гранита, в результате развития всех видов
микротрещиноватости без какого-либо внешнего механического напряжения.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Дмитриев А.П., Гончаров С.А. Термическое и комбинированное разрушение горных пород. М.. Недра, 1978.
2. Менжулин М.Г., Шишов А.Н., Серышев С.В. Термокинетическая модель разрушения горных пород и особенности ее численной
реализации./ Физика и механика разрушения горных пород применительно к прогнозу динамических явлений./ ВНИМИ, 1995, с.59-65.
Санкт-Петербургский
