CC BY
38
------------------------------------ © С.Д. Викторов, А.Н. Кочанов,
А.А. Осокин, 2010
УДК 622:83
С.Д. Викторов, А.Н. Кочанов, А.А. Осокин
ОПРЕДЕЛЕНИЕ СОСТОЯНИЯ ПРЕДРАЗРУШЕНИЯ ГОРНЫХ ПОРОД ПО ГЕНЕРАЦИИ МИКРО- И НАНОРАЗМЕРНЫХ ЧАСТИЦ*
Разработана оригинальная методика и проведены экспериментальные исследования по квазистатическому нагружению образцов горных пород для прогнозирования состояния предразрушения. Впервые экспериментально зарегистрирована генерация микро- и наноразмерных минеральных частиц при статическом сжатии образцов горных пород. Получены количественные оценки размеров минеральных частиц в зависимости от действующих напряжений и петрографических особенностей горных пород.
Ключевые слова: горные породы, лазерная спектрометрия, генерация частиц, предразрушение, структура, деформация, напряжение.
Семинар № 4
ЖЭ рамках современных представлений при описании про--М^Мцесса разрушения горных пород принимается, что непосредственно конечная его стадия - переход среды в качественно новое физическое состояние (ее фрагментация, обусловленная развитием макротрещин) является лишь заключительным актом, а сам процесс разрушения характеризуется последовательным зарождением и развитием дефектов структуры на различных масштабных уровнях. При наиболее общих физических подходах можно ограничиться рассмотрением двух основных стадий: зарождением и развитием микродефектов и формированием макроразрушения на второй стадии [1-3]. Начальная стадия эволюции внутренней микроструктуры горных пород, когда происходит деформация и переориентация отдельных зерен, нарушение связей, развитие микродефектов, изменение свойств и состояния некоторого объема среды, в последнее время характеризуется как состояние предразрушение [45]. Особенность сложных геологических процессов, происходящих в массиве горных пород, обуславливает присущую всем горным породам неоднородность (изменчивость), связанную с неравномерностью распределения вещества и различными свойствами составляющих
*Работа выполнена в рамках гранта РФФИ № 10-05-00525 а. 88
элементов. Горные породы неоднородны, состоят из отдельных минеральных зерен, имеют структурные особенности и различную плотность микродефектов, что обуславливает формирование специфического поля напряжений с высокими локальными параметрами при внешнем воздействии. В поликристаллических горных породах негидростатические сжимающие напряжения могут приводить к возникновению локальных напряжений растяжения, обуславливающих возможность развития микродефектов. Описанию закономерностей развития микротрещин в образцах горных пород при квазистатиче-ском нагружении посвящены многочисленные экспериментальные и теоретические исследования. Из анализа результатов этих работ следует, что структура области предразрушения породы может быть определена как кластер - связанные каналы сложной геометрии. Образование кластеров микронарушений на стадии предразрушения не ведет к дезинтеграции породы, но может в значительной степени изменить ее проницаемость. При испытаниях образцов горных пород на одноосное сжатие фактор предразрушения проявляется в нарушении закона линейной связи между деформациями и напряжениями. В неоднородном геоматериале на стадии предразрушения формируются локальные микрообъекты разрушения или микрообласти запредельного деформирования, развитие которых сопровождается геофизическими явлениями (акустической эмиссией, температурными изменениями, магнитными изменениями и т.п.) [6-7]. В вершинах трещин происходит диссипация энергии на всех структурных уровнях природной нарушенности (вплоть до молекулярного), происходит критическое сдвижение и отрыв поверхностных микроструктурных фрагментов, т.е. эти области могут являться источниками генерации минеральных микро- и наночастиц.
С целью прогнозирования состояния предразрушения горных пород и изучения закономерностей генерации микро и наночастиц разработана оригинальная методика и проведены экспериментальные исследования. При проведении исследований в образцах горных пород создавался измерительный объем в виде сквозного отверстия диаметром 6 мм, внутренний объем отверстия соединялся с атмосферой через высокоэффективный воздушный фильтр (рис. 1). Все измерения проводились в обеспыленной атмосфере с низкой фоновой концентрацией частиц (в однонаправленном горизонтальном потоке чистого воздуха после высокоэффективного фильтра).
Рис. 1. Вид образца горной породы с воздушным фильтром
Количество и дисперсный состав, образующихся минеральных частиц, измерялись с помощью ручного счетчика частиц HAND HELD 3013 - новейшей разработки компании
Lighthose (США) в этой области, позволяющий контролировать генерацию частиц в диапазоне 0,3-10 мкм. Общий вид экспериментального стенда представлен на рис 2. Образцы горных пород подвергались ступенчатому одноосному сжатию. Регистрация числа частиц и их дисперсного состава проводилась с помощью счетчика аэрозолей каждые 60 секунд. Результаты измерений представлены на рис 3, где по оси ординат отложено число частиц, генерируемых за время каждого единичного измерения (каждые 60 сек) для различных диапазонов размеров частиц. На рис. 4 представлены зависимости количества частиц для образца доломита в диапазоне 0,3-0,5 мкм от напряжения сжатия. Результаты экспериментов указывают на значительное увеличение генерации частиц при достижении определенного порога напряжений. Для образца известняка значительное увеличение частиц наблюдалось в диапазоне 0,3-0,5 мкм, а частицы размером более 0,5 мкм практически не генерировались. Для образцов уртита и доломита наибольшая генерация частиц наблюдалась в диапазоне 0,5-5,0 мкм, причем для уртита их количество превышало 20000 единиц.
а
Рис. 2. стенда
Общий вид экспериментального
700
600
500
400
300
200
100
0
0,3-0,5 мкм 0,5-5 мкм > 5 мкм
Диапазоны измерений, мкм
25000
20000
15000
10000
5000
■
0,3-0,5 мкм 0,5-5 мкм >5 мкм
Диапазоны измерений,мкм
в
0,3-0,5 мкм 0,5-5 мкм > 5 мкм
Диапазоны измерений,ллклл
Рис. 3. Количество образовавшихся частиц при одноосном сжатии образцов горных пород в диапазонах 0,3-0,5, 0,5-5 и 5-10 мкм:
а) в образце известняка при напряжении а = 20 МПа ; б) в образце доломита при напряжении а = 50 МПа; в) в образце уртита при напряжении а = 50 МПа
б
Таким образом, экспериментально установлено явление генерации частиц в диапазоне 0,3-10 мкм при допредельном деформировании и сжатии образцов горных пород. Получены количественные оценки размеров и дисперсного состава частиц в зависимости от действующих напряжений. Результаты экспериментов свидетельствуют о том, что количество и дисперсный состав генерируемых частиц, динамика их образования зависят от петрографических особенностей горных пород и степени их напряженности. Анализ генерации частиц с поверхности геоматериалов может быть положен в основу контроля развития разрушения пород и перехода разрушения в критическую фазу динамического разрушения. Исследование этого явления могут развиваться как в области изучения физики процесса разрушения различных геоматериалов, так и в прикладных направлениях, особенно в сейсмологии в связи с прогнозом землятрясений, в горном деле - для контроля удароопасно-сти массивов горных пород и прогнозирования динамических проявлений горного давления.
------------------------------------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. KuksenkoV., Tomilin N., Damaskinskya E., Lockner B.A Two-stage Model of Fracture of Rocks//Pure Appl. Geophys. 146(2). - 1996. - p.253-263.
2. Jung Young-Hoon, Chung Choong-Ki, Finno Richard Development of nonlinear cross-anisotropie model for the pre-failure deformation of geomaterials// Comput.and Geotech. - 2004. - 31. - №2. - C. 89-102.
3. Одинцев В.Н. Отрывное разрушение скальных горных пород. - М.: ИП-КОН РАН, 1996, 166 с.
Рис. 4. Зависимость количества частиц для образца доломита в диапазоне 0,3-0,5 мкм от напряжения сжатия
4. Панин В.Е. Основы физической мезомеханики // Физ. мезомеханика. -1998. - №1. - C. 5-22.
5. Викторов С.Д., Кочанов А.Н., Одинцев В.Н. Предразрушение горных пород как стадия процесса разрушения при квазистатическом и динамическом нагружении// Записки горного института. - Том. 171. - 2007. - С. 153-157
6. Мирошниченко М.И., Куксенко В.С. Изучение электромагнитных импульсов при зарождении трещин в твердых диэлектриках // Физика твердого тела. - 1980. - Т.22 - вып. 5
7. Курленя М.В., Кулаков Г.И., Вострецов А.Г. и др. Фоновое электромагнитное излучение горных пород, регистрируемое в подземных выработках// ФТПРПИ. - 2002. - №2. ЕШ
S.D. Viktorov, A.N. Kochanov, A.A. Osokin
DEFINITION OF THE CONDITION OF PREDESTRUCTION OF ROCKS ON GENERATIONMIKRO-AND NANO PARTICLES
The original technique is developed and experimental researches on quasistatic influence on samples of rocks for forecasting of a condition ofpredestruction are spent. For the first time generation mineral particles is experimentally registered at static compression of samples of rocks. Quantitative estimations of the sizes of mineral particles depending on operating pressure and petrographic features of rocks are received.
Key words: Rocks, laser spectrometry, generation of particles, predestruction, structure, deformation, pressure, properties.
— Коротко об авторах ------------------------------------------
Викторов С.Д., Кочанов А.Н., Осокин А.А. - УРАН ИПКОН РАН, info@ipkonran.ru
