CC BY
18
- © Ю.А. Боровков, К.Л. Акопян,
2012
УДК 551.7:62-75
Ю.А. Боровков, К.Л. Акопян
ОСОБЕННОСТИ ВЛИЯНИЯ ПОВЕРХНОСТНО-АКТИВНЫХ ВЕЩЕСТВ НА ИЗМЕНЕНИЕ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ И НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ ГОРНЫХ ПОРОД
Рассмотрено изменение прочностных свойств горных пород путем развития трещин и зарождения микротрещин при обработке поверхности образцов ПАВ. Установлено, что, развитие под действием ПАВ существующих в горной породе трещин и зарождение новых микротрещин описываются разными по характеру распределениями, имеют различную природу и определяются уравнениями теории Гриффитса и кинетической концепции прочности, параметры которых учитывают фрактальную размерность трещин.
Ключевые слова: поверхностно-активные вещества, трещина, теория Гриффитса, пластические деформации.
Наиболее эффективным средством направленного изменения свойств и состояния горных пород является использование поверхностно-активных веществ (ПАВ), действие которых заключается в адсорбционном понижении поверхностной энергии тел (эффект Ребиндера). Теоретические и экспериментальные исследования (Ю. В. Горюнов, Ф. Д. Овчаренко, Н. В. Перцов, П. А. Ребиндер, Е. Д. Щукин и др.) показывают, что адсорбция активных молекул из раствора происходит на свободных поверхностях, прежде всего на поверхности трещин. Поэтому эффективность действия ПАВ напрямую связана с геометрией трещин, и в то же время поверхностно-активные вещества сами влияют на процесс трещинообразования. Это определяет перспективность применения ПАВ для управления свойствами и состоянием пород в процессах горного производства (А. Д. Алексеев, Г. Я. Воронков, И. И. Круглицкий, Н. Ф. Кусов, О. Г. Латышев, Г. И. Марцинке-вич, О. А. Эдельштейн и др.).
Анализ данных исследований показывает, что действие ПАВ приводит к
существенному снижению прочности и упругости горных пород, сопровождается их пластифицированием и активизацией геологических процессов. Исследования ряда ученых по изучению прочностных свойств горных пород показали, что, несмотря на различный темп снижения прочности, в финальной стадии, т. е. при полном насыщении образцов оптимально подобранными активными растворами, относительное снижение прочности пород отличается мало и в среднем составляет около 50 % (в 2 раза). Также действие ПАВ сопровождается снижением в 1,8—2,3 раза предела упругости и на 25-43 % модуля упругости. Наблюдается общий рост деформаций при уменьшении их упругой составляющей, т. е. происходит значительное пластифицирование горных пород, когда более половины общей энергоемкости разрушения приходится на необратимые (пластические) изменения в породе. Ими было установлено, что введение в горные породы растворов ПАВ увеличивает интенсивность их пластифицирования до 35 %.
В основе такого изменения свойств лежит увеличение дефектности (трещино-
ватости) горных пород. Для изучения данного вопроса О. Г. Латышевым и Н. И. Ивановым были выполнены комплексные исследования влияния ПАВ на характеристики трещиноватости горнык пород. Образцы выщерживались при постоянной одноосной нагрузке 25 МПа в течение 480 часов в воздушно-сухом состоянии и в растворе ПАВ — додецилсульфата натрия Н-О-БОзНа (ДС). Нагрузка соответствовала горному давлению на глубине 800-1000 м для условий СУБРа [1]. Однако под микроскопом определялись только линейные размеры трещин. Для изучения трещин с учетом их фрактальных характеристик нами выполнены аналогичные эксперименты, но с медно-никелевыми рудами месторождения Ша-нуч по разработанной нами методике.
Реализация описанных выше процедур позволила смоделировать фрактальные характеристики трещин в ранее выполненных исследованиях и получить новую информацию. Обобщение полученных результатов сведены в табл. 1 и был построен график изменения концентрации трещин различных размеров при нагружении пород в присутствии активной среды (рис. 1).
Анализ данных показывает, что даже при малых нагрузках, порядка 20 % от разрушающих, действие поверхностно-активных веществ почти в 4 раза увеличивает концентрацию трещин и их удельную поверхность и почти в 8 раз — степень нарушенности горной породы. Учет фрактальной размерности позволил определить истинную геометрию трещин и их характеристики, которые существенно превышают эти показатели для трещин в случае их линейного представления.
График изменения концентрации трещин различных размеров при нагру-жении пород в присутствии активной среды имеет явно выраженный нелинейный характер. Наличие экстремума на графике свидетельствует о том, что действие ПАВ приводит к развитию ранее 78
Таблица 1
Среда Об- Средняя Концен- Удель- Нару-
щее длина трация ная по- шенность
число трещин трещин верх-
тре- /Ср-10"6, м л™10, ность
щин 1/м3 с •-'уд» м2/м3
Воз- 218 78,0 2,86 234,1 0,0056
дух
Рас- 815 83,8 11,11 927,9 0,0444
твор
ПАВ
я
и ?
О
в
I
§
/
/
/
/
7
V
30
4,0
50
чо
7,0 £10 111 И,мм
Рис. 1. Относительное приращение концентрации трещин в ПАВ
существовавших в породе трещин (сопровождается снижением концентрации трещин средних размеров) и зарождению новых микротрещин (левая ветвь графика).
Концентрация указаннык трещин описывается разными законами распределения, что свидетельствует о разном механизме их образования. Трещины больших размеров (более 80 мкм) распределены по логарифмически-линейному закону (коэффициент вариации Квар = 7,0 %; критерий Пирсона Хн2 = 0,06 > Хнр2 = 7,81)
1пт1. = 3,86 -1,32 • 1п(Ь1), (1)
Зарождающиеся описываются
булла (Квар = 16,9 %
М1 = 1 - ехр
микротрещины Вей-ЪГ = 0,0052):
1,775 "
распределением
48,808
(2)
Аналитическая оценка действия ПАВ с позиций теории трещин Гриффитса и кинетической концепции прочности позволила получить соотношения, являю-
щиеся основой прогнозирования свойств и состояния горных пород, их удельной поверхностной энергии и трещиностой-кости с учетом фрактальных свойств трещиноватой горной породы как природной самоподобной структуры. В основу этих соотношений положена подстановка в классическое уравнение Гриффитса истинной длины трещины с учетом ее фрактальной размерности
ст р =■
\4Ees nL0
(3)
где ор — критическое напряжение на разрыв, Па; Е — модуль упругости, Па; е5 — удельная поверхностная энергия породы, Дж/м2; Ь0 — расстояние между вершинами трещины, м; d — фрактальная размерность трещины.
Из данного уравнения можно определить совокупную поверхностную энергию горной породы с учетом поправки Орована — удельной энергии пластических деформаций ер:
( + ер ) =-
4Е
(4)
Расчет, выполненный для рассматриваемых пород, показал, что под воздействием ПАВ совокупная поверхностная энергия породы возрастает с 101,8 Дж/м2 до 123,1 Дж/м2, т.е. наряду с уменьшением е5 происходит увеличение удельной энергии пластических деформаций ep. Приняв, что при разрушении руды зона пластической деформации в вершине трещины отсутствует (т.е. Е = const), можно определить величину ep при воздействии ПАВ на породу. Для руды — ep = 64,5 Дж/м2.
Ослабление под влиянием активных молекул межатомного взаимодействия приводит к локальным перенапряжениям в горной породе. Это определяет увеличение актива-ционного объема, что в соответствии с кинетической концепцией прочности (С. Н. Журков) сопровождается активизацией процессов движения и размножения дислокаций, их группированием и зарождением микротрещин. Для концентрация микротрещин под действием ПАВ увеличивается в 3,98 раза по сравнению с исходной породой, следовательно, в такой же пропорции увеличивается активационный объем.
При динамическом нагружении горных пород имеющиеся в породе дефекты структуры (макро- и микротрещины) не успевают включиться в процесс деформирования, что приводит к возрастанию динамической прочности и упругости пород. Полученные экспериментальные соотношения позволяют прогнозировать динамические характеристики горных пород и являются основой методики определения разрушаемости пород ударом и взрывом.
Таким образом, развитие под действием ПАВ существующих в горной породе трещин и зарождение новых микротрещин описываются разными по характеру распределениями, имеют различную природу и определяются уравнениями теории Гриффитса и кинетической концепции прочности, параметры которых учитывают фрактальную размерность трещин.
- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Латышев О.Г., Жилин A.C., Осипов И.С., Сынбулатов В.В. Выбор поверхност-
но-активной среды для управления свойст-
вами пород в горной технологии// Изв. вузов. Горный журнал. — 2004. — № 6. — С. 117—121. Н2Е
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ
Боровков Ю.А., Акопян К.Ё. — МГРИ — РГГРУ.
