Процесс деструкции железистых кварцитов в сильных импульсных магнитных полях и упругих волновых воздействиях Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

информационно-аналитический бюллетень. - 2005. - №7.- С. 144-148; -2005. № 11.- С. 154-157.

3. Соболев Г.А., Дёмин В.М. Механоэлектрические явления в земле. - М.: Наука, 1980. - С. 16-19.

4. Иньков В.Н., Коваленко С.А., Анисимов В.Н. Исследование результатов воздействия магнитным полем на образцы железистых кварцитов лазерным ультразвуковым методом. МГГУ, Горный информационно-аналити-ческий бюллетень. - 2006. - № 6.

5. Справочник (кадастр) физических свойств горных пород. - М.: Недра 1975. - С. 36-49.

|— Коротко об авторах--------------------------------------

Анисимов В.Н. - Московский государственный горный университет.

-------------------------------- © В.Н. Анисимов, 2007

В.Н. Анисимов

ПРОЦЕСС ДЕСТРУКЦИИ ЖЕЛЕЗИСТЫХ КВАРЦИТОВ В СИЛЬНЫХ ИМПУЛЬСНЫХ МАГНИТНЫХ ПОЛЯХ И УПРУГИХ ВОЛНОВЫХ ВОЗДЕЙСТВИЯХ

#^#звестно, что в объеме материала, подвергнутого И п роцессу перемагничивания, при определённых условиях могут возникать магнитоэлектрические (пъезомагнитост-рикционные), термомагнитоупругие и другие эффекты вследствие изменения магнитного состояния внутренней магнитной энергии с выделением тепла и преобразованием в механические напряжения по границам разнородных минералов.

В случае, если твердый материал представлен, например, железистыми кварцитами, сущность ослабления межзерновых связей в них при воздействии динамических волновых воздействий можно представить следующим образом.

На ферромагнитную частицу, помещенную в импульсное электромагнитное поле высокой интенсивности, действуют силы, обусловленные, с одной стороны, величиной индукции В, и, с другой стороны, силы, обусловленные неоднородностью поля, определяемые, главным образом, градиентом напряженности магнитного поля. Основные силы, действующие на частицу, следующие: магнитная сила, обусловленная притяжением частицы магнитным полем; сила, обусловленная магнитострикцией ферромагнетика; пондеромоторная сила, обусловленная взаимодействием токов, образующихся в слоях ферромагнитных частиц и др.

При напряженности поля порядка 10"7-10"8 А/м, например, длительности импульса 10"2-10"8 с напряжения, возникающие вследствие магнитострикции магнетита, достигают порядка 4 МПа. Напряжения, возникающие за счет пондеромоторной силы, достигают порядка 50 МПа.

Известно, что прочность на разрыв железистых кварцитов составляет порядка 18 МПа. Железистые кварциты при воздействии только импульсного электромагнитного поля не испытывают достаточных растягивающих напряжений сгЕ для образования сети микротрещин по границам зерен. Как показали исследования это происходит при совместном воздействии упругих растягивающих напряжений стЕ при импульсных электромагнитных и при создании растягивающих напряжений <ту ,

возникающих при прохождении упругих волн напряжения (ударных механических нагрузок в том числе и от взрыва различных зарядов ВВ).

Рассмотрим в качестве примера массив железистых кварцитов.

Механизм формирования железистых кварцитов в условиях динамометаморфизма, т.е. под действием ориентированных давлений и температур, сопряжен с образованием пространст-

венно ориентированных текстур. Высокий пьезоэлектрический, магнитострикционный, магнитоэлектрический и другие эффекты, реализующиеся в кварцитах, обусловлены их генезисом и закономерной ориентацией и чередованием упругоанизотропных зерен кварца и зерен магнетита в пространстве [1, 2, 3, 4].

Рассмотрим механизм деформирования и разрушения кварцитов в предположении, что кварциты обладают пъезо-электрической текстурой самого низшего ранга (т.е. имеют ось симметрии бесконечного порядка и перпендикулярную к ней плоскость симметрии, с зеркально отраженной пространственной ориентацией зерен кварца) (рис. 1-4).

На рис. 1 представлен фрагмент такой структуры. Рассмотрим межкристаллическую, условно изотропно-упругую среду, содержащую зерна магнетита. Модель предполагает наличие в ней микротрещин, как зародышей микротрещиноватости, способствующей «раскрытию» зерен магнетита, т.е. под воздействием упругих и электромагнитных волн возникает микротрещиноватость в среде, где ориентированные зерна кварца обладают соответствующими пьезоэлектрическими свойствами.

Условие взаимодействия импульса электромагнитного

поля Р с упругим импульсом (в том числе импульса взрывной ударной волны) представляется в виде

р.

!•’ У

+■

4-

-1-

+

+ +•

+ +■

+ +•

4

+

+ +•

+■

+■

4-

+■

+•

+■

+■

-1-

Рис. 1. Схема взаимодействия электромагнитных сил в пьезоэлектрической текстурированной среде

т.е. эффект воздействия электромагнитного импульса происходит в течение отрезка времени Му упругого механического воздействия на среду (т.е. технологически предполагается некоторая временная задержка А(Р генерации импульса электромагнитного поля).

Это условие дает возможность рассматривать суммарный эффект воздействия упругого и электромагнитного полей на процесс деструкции межкристаллической среды т.е. «меж-кварцевого заполнителя».

Допустим, что вектор распространения продольной волны Ру нормален к вектору импульса электрического поля

РЕ, как это показано на рис. 1. Рассматриваем элемент

объема межкристаллического заполнителя с сечением АВСД и внутренним дефектом в виде зародышевой микротрещины.

Как известно, размер трещины с радиусом г0 определяется закаченного в выделенный элемент объема энергии

где у, В-А/м2 - удельная энергия образования единицы свободной поверхности. В феноменологическом приближении задача сводится к расчету энергии, закачиваемой в элемент объема непосредственно упругой и электромагнитной волнами в Р^ . В свою очередь электромагнитная волна

трансформируется в упругую за счет механоэлектрических, магнитоэле-ктрических, пондеромоторных, магнитострик-ционных сил. Тогда

Ре*И$у+Ре;

В первом приближении без учета влияния температуры, (в данном случае рассматриваются достаточно малые промежутки времени) возможный размер микротрещины можно определить следующим образом

гп =

(Ру+ Р е)

уп

где Ру - энергия электромагнитного поля, трансформируемая в упругую энергию в элементе объема, или

— — — — В - В -

Р-НЕ; Н = — ; Р = — • Е ,

где В, Н, л соответственно - индукция, напряжённость магнитного поля и магнитная проницаемость среды

^ Лр о graaP - — = 2у ■ ж ■ г0 ■ ёг

Для изотропной однородной среды (кварц).

Согласно 1-му - уравнению Максвелла

ГООЧ =6 +£ „ ’

а сИ

где з - плотность тока проводимости; е _ плотность

а Л

тока электрического смещения (в нашем случае в кварцевой матрице при изменении напряженности электрического поля).

Согласно 2-му уравнению Максвелла

Я ЛВ

ГОШу -------■

Ж

Здесь

- изменение магнитного поля во времени, вызы-

вающее вихревое электрическое поле (в нашем случае в магнетите)

,Л <•

гоШ - § н-----■

Здесь О - индукция электрического поля; 8 - энергия импульса электромагнитного поля;

Р = Н ■ Е.

Для анизотропной среды

£

а

£ £ £ аИ а12"'

Р Р Р

°«2 1 °«22 " «2У

Р Р Р

' (XV -Iе" СXV (X.

^ а 21 ^ а 22 ' '

-^а2п

№ ап1 № ап2-----------

б =

Тогда энергия О в объеме dV равна

Геа-Е2 +^-Я2'

2

2

(IV

Так, для кристалла кварца (для кристалла магнетита в кварцевой матрице производится соответствующая оценка), возбужденного внешним электромагнитным импульсом, соотношение между энергией внешнего электрического поля и

энергией упругого деформирования определяется коэффициентом электромеханической связи

КЕ =1^ = ж-<3^(^ъ0,02’

РЕ е

что соответствует максимальной величине для кристалла SiO2. Здесь ^ - пьезоэлектрический модуль, С66 - упругая

постоянная, е - диэлектрическая проницаемость [1].

Анализ электромагнитного взаимодействия в вершине микротрещины выглядит следующим образом. Выделяют зону концентрации механических напряжений (один из вариантов концентрации напряжений в результате возникновения заряженных поверхностей субмикротрещин) (рис. 2). Дипольное взаимодействие расходящихся берегов субми-кротрещин с внешним электромагнитным импульсом (рис. 3) может приводить к электрическому ослаблению «электростатического» взаимодействия растущих субмикротрещин. Эту величину можно оценить по формуле р

К0 =----2---

Ее + Ет

где £ - диэлектрическая проницаемость среды (при оценке возникающих напряжений при напряженности магнитного поля Н соответственно берется величина магнитной проницаемости ц и соответствующая величина индукции магнитного

поля В); Ев - напряженность внешнего электромагнитного импульса; Ест - напряженность электростатического поля на берегах субмикротрещин (здесь Нв учитывается при оценке магнитоэлектрических эффектов).

Условие распространения субмикротрещин записывается в виде е-Ёст=Д,

где д - индукция электрического поля.

Рис. 2. Диспергация в условиях негидрастатического сложно напряженного состояния

Рис. 3. Дипольное взаимодействие расходящихся берегов заряженных поверхностей субмикротрещин под воздействием внешнего электромагнитного импульса и механического напряжения

а

с

Рис. 4. Схема возникновения совместных напряжений от упругих и электромагнитных волновых воздействий

Эксперименты по изучению электромагнитного поля при разрушении образцов горных пород под прессом дают значение порядка 103-104 В/см. При диэлектрической проницаемости горных пород £- = 8-10 условие разрушения следует записать в виде

£в>105 В/см.

Условие справедливо также и при корректировке расчетов напряжений, возникающих при магнитоэлектрических эффектах (магнитострикционных, магнитотермоупругих и др.).

Процесс деструкции горных пород как поликристалличе-ских систем под воздействием упругих волн напряжений (в т.ч. от массовых взрывах зарядов ВВ) сопровождается генерацией электромагнитных импульсов, возникающих при деструкции кристаллических решеток породообразующих минералов. При наложении внешнего электромагнитного импульса с вектором напряженности, противоположным вектору электростатического поля, внутри субмикротрещин возникает допол-

нительное усилие электростатического взаимодействия, которое суммируется с магнито-электрическим.

-1

а, см

0,8-

0,4-

0,0-|—1-1------>-1----1-1-----1-1--1-1----->-1

0,3 1 2 3 4 5 6

Г МГц

Рис. 5. Поглощение ультразвука в образцах железистого кварцита до (1) и после (2) воздействия импульсного магнитного поля

Эти взаимодействия способствуют более интенсивному росту субмикротрещин в поликристаллической среде, что подтверждается и экспериментальными данными.

Объектом исследований являлись образцы железистых кварцитов, представленные железистыми кварцитами Лебединского месторождения КМА, форма образцов - цилиндрическая, образцы выпиливались из керна, диаметр исходного керна - 42 мм, керны отобраны при разведочном бурении из массивов, не подверженным массовым взрывам, высота образцов -40 мм, фазовый состав образцов Ре304+кварц+амфибол с незначительной разницей в соотношениях в каждой из партий образцов.

Образцы готовились для нагружения импульсным магнитным полем, которое создавалось током в магнитном кон-

туре порядка 200 кА при этом, характерное значение индукции составляло порядка 0,5-1 Тл

Образцы исключали их электрический и тепловой пробой, поэтому до нагружения образцов воздействием импульсного магнитного поля (для исключения влажности), образцы высушивались, затем производилось измерение их сопротивления мегомметром Е-6-16 при зондирующем напряжении 500 В. Методикой исследований предусматривалось проведение неразрушающих методов контроля образцов, измерений удельного сопротивления образцов до и после их обработки импульсным магнитным полем, неразрушающая ультразвуковая диагностика образца железистых кварцитов до и после воздействия импульсным магнитным полем.

Впервые для исследования образцов железистых кварцитов была применена лазерно-ультразвуковая иммерсионная методика с лазерным источником ультразвука, разработанная в МГГУ). Измерения были проведены в режиме проходящих волн на образцах, как до, так и после их обработки импульсным магнитным полем.

В результате проведенных исследований, задачей которых являлось определение параметров динамических волновых воздействий для деструкции железистых кварцитов ещё на стадии буровзрывных работ удалось установить следующее:

• образцы железистых кварцитов, обработанные высокоградиентным импульсным магнитным полем (с уч ётом их анизотропии, структурно-текстурных особенностей) подверглись сильным изменениям по сравнению с состоянием до воздействия импульсного магнитного поля, что отразилось следующим образом:

• появились видимые трещины на образцах и продукты деструкции в виде свободных зерен кварца и магнетита;

• уменьшилась скорость звука и в увеличился коэффициент затухания на всём частотном диапазоне исследований;

• возрос в 2-3 раза уровень структурного шума, что является следствием увеличения микротрещиноватости по межзер-новым границам после воздействия импульсного магнитного поля.

Впервые установлено - удельное сопротивление образцов железистых кварцитов после воздействия на них высокоградиентного импульсного магнитного поля уменьшается на 3-4 порядка по сравнению с удельным сопротивлением до воздействия импульсного поля (так например, для образцов высотой 42 мм и диаметром 42 мм до воздействия удельное сопротивление составляло 540 кОмм, после воздействия даже 3-х импульсов (длительность импульса магнитного поля

- полусинусоида 200-250 мкс, выход на максимум 90-120 мкс), удельное сопротивление уменьшилось до 0,1 кОмм.

Выводы

Результаты исследований позволяют отметить перспективность разработки нового направления предварительных и одновременных высокоградиентных импульсных динамических волновых воздействий на массивы и могут быть использованы: в геофизике при сейсмо- и электроразведке; при глубинном зондировании недр; в процессах рудоподготовки трудновзрываемых и труднообогатимых руд ещё на стадии БВР; при разработке новых методов и технических средств, при бурении массивов; при проходке горных выработок в плотных трудно-взрываемых массивах горных пород; при разработке новых высокоэффективных безопасных методов взрывания и иници-ирования зарядов ВВ.

---------------------------------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Ревнивцев В.И. О радикальной организации процесса раскрытия минералов, в соответствии с современными представлениями физики твердого тела. Труды Механобр, вып. 140, 1975, с. 153-164.

2. Соболев Г.А., Демин В.М. Механоэлектрические явления в земле. - М.: Недра, 1980.

3. Анисимов В.Н. Концепция малооперационной ресурсосберегающей технологии взрывной рудоподготовки железистых кварцитов с применением дополнительных импульсных волновых воздействий. Горный информационный аналитический бюллетень №7, 2005.

4. Анисимов В.Н. К концепции малооперационной ресурсосберегающей технологии. Взрывной рудоподготовки железистых кварцитов при различных динамических волновых воздействия. ГИАБ №11, 2005.

5. Анисимов В.Н. Влияние особенностей строения массивов, их генезиса на эффективность взрывной рудоподготовки железистых кварцитов. ГИАБ № 12, 2005.

6. Иньков В.Н., Коваленко С.А., Анисимов В.Н. Исследование результатов воздействия магнитным полем на образцы железистых кварцитов лазерным ультразвуковым методом. ГИАБ № 6, 2006.

— Коротко об авторах

Анисимов В.Н. - Московский государственный горный университет.

------------------------------ © В.Н. Анисимов, 2007

В.Н. Анисимов

ПРОИЗВОДСТВЕННЫЕ ИСПЫТАНИЯ РАЗРУШЕНИЯ СЛОЖНОСТРУКТУРНОГО МАССИВА ПРИ ПРЕДВАРИТЕЛЬНОМ ДИНАМИЧЕСКОМ НАГРУЖЕНИИ

С

целью повышения равномерности дробления породы и степени разупрочнения межкристаллических связей в процессе отбойки за счёт предварительного динамического погружения разрушаемого массива на контакте «ВВ - порода» короткозамедленные взрывами осуществляли сериями спаренных зарядов ВВ, причём внутри этих серий последующий ряд инициировался в момент прохождения максимальных значений амплитуды волны сжатия от взрыва предыдущего ряда зарядов ВВ в серии, а инициирование между рядами зарядов ВВ в серии осуществлялся петлёй магистрального ДШ длина которой определялась по формуле:

2 а + ^С*

д/ =--------* г ("П

2£* Дш ’ ' '

Р

где а - среднее расстояние между зарядами, в серии вдоль бровки уступа, м; /сж- длительность импульса волны сжатия,

с; С - скорость распространения волны сжатия в скальном

массиве, м/с; С - скорость детонации ДШ, м/с;

Инициирование последующего ряда зарядов в серии посредством петли магистрального ДШ, длину которого рассчи-