CC BY
96
_МЕЖДУНАРОДНЫЙ НАУЧНЫЙ ЖУРНАЛ «СИМВОЛ НАУКИ» №9/2015 ISSN 2410-700Х_
ГЕОЛОГО-МИНЕРАЛОГИЧЕСКИЕ НАУКИ
УДК 622.02 (075.8)
Султаналиева Рая Мамакеевна
канд.физ.-мат.наук, проф. КГТУ им. И. Раззакова
г. Бишкек, КР E-mail: raia-ktu@mail.ru
РЕНТГЕНОГРАФИЧЕСКИЙ МЕТОД ИССЛЕДОВАНИЯ ОСТАТОЧНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ В ГОРНЫХ ПОРОДАХ
Аннотация
В статье рассматривается остаточные микронапряжения в горных породах на уровне кристаллической решетки до и после воздействия тепловых полей. Приводится результаты экспериментальных исследований структуры и остаточных напряжений рентгенографическим методом.
Ключевые слова
остаточные напряжения, рентгенографический метод, горные породы, термообработка, прочность
Остаточные напряжения могут быть исследованы разными методами, среди них немаловажный интерес представляет рентгенографический метод.
Напряжения остающиеся в породе после какого - либо физического воздействия, будут называеться остаточными. Различают остаточные генетические напряжения: напряжения, имеющиеся в породе до воздействии, т. е. обусловленные генезисом породы, и остаточные, наведенные напряжения, возникшие в породе после физической обработки.
Согласно разработанной Н.Н. Давиденковым классификации остаточных напряжений существуют напряжения трех родов [1]. Напряжения первого рода - зональные - уравновешиваются в объеме всего образца, второго рода- в объеме единичных кристаллов, третьего рода- в пределах некоторого количество атомов.
В горных породах остаточные напряжения могут формироваться при их образовании и длительном нагружении. Рентгенографический метод в основном используется при исследованиях остаточных напряжений в поверхностных слоях. Методы рентгеноструктурного анализа давно применяются в областях металлургии с целью установить внутренние напряжения остающиеся во многих изделиях в результате ряда технологических процессах. Применения этого метода горным породам показало, что и в таких природных минеральных агрегатах существуют остаточные микроскопические напряжения. Речь идет о накапливающейся минеральных агрегатах энергии упругой деформации [2].
Метод рентгеноструктурного анализа основан на изучении дифракционной картины рассеяния рентгеновских лучей исследуемым веществом, которая зависит от взаимного расположения атомов вещества в пространстве. Зная законы рассеяния рентгеновских лучей веществом, по интерференционной картине можно получить данные о структуре вещества и изменении в процессе деформации или после нее и т.д.
Известно, что по типу структур все вещества подразделяются на кристаллические и аморфные. В кристаллических веществах, какими являются большинство горных пород, в отличие от аморфных, атомы располагаются в определенном порядке, который периодически повторяется в трех направлениях.
В отличие от отражение видимого света рентгеновские лучи «отражается» только в том случае, если выполняется уравнение Вульфа-Брэгга
пЛ = 2d sin в (1)
Здесь П - порядок дифракции, Х- длина волны рентгеновсих лучей, 0-угол рассеяния.
_МЕЖДУНАРОДНЫЙ НАУЧНЫЙ ЖУРНАЛ «СИМВОЛ НАУКИ» №9/2015 ISSN 2410-700Х_
При известной длине волны Л, каждому значению межплоскостного расстояния d будет соответствовать свое значение угла 6, измеряя который можно определить d .
Рентгенографическое определение деформаций и напряжений в минералах позволяет изучить природу физических процессов, протекающих в горной породе, подвергающейся воздействию внешних полей (механических, тепловых и т.д.).
Рентгенографическое определение микродеформации основано на следующем физическом процессе.
Считать в соответствии с законом Гука, относительное изменение межплоскостного расстояния dj равна:
Ad1 _ ( (2)
d ~ E
где у - величина приложенного напряжения МПа, e - модуль упругости МПа.
Если на образец перпендикулярно оси приложение нагрузки направить пучок монохроматических рентгеновских лучей, то, анализируя дифракционные пики под большими углами, можно определить
изменение межплоскостного расстояния d^ (или близкого к нему), связанного с d^ через коэффициент Пуассона:
Adi = _ß( (3)
d2 d1 E
Изменение межплоскостного расстояния на величину Ad вызывает сдвиг брэгговского отражения на величину A6 в соответствии с уравнением:
A6=_Ad-tg60 (4)
d
Подставляя полученное выше выражение Ad / d, получим:
A6 = j(- tg6 (5)
E 0
Определяя смещение линий не рентгенограмме, обусловленное действием растягивающих нагрузок, и рассчитав по этому смещению изменение угла A6 , напряжение У вычисляют по формуле:
E
У = E.ctg6 A6 (6)
j
Для оценки величины остаточных напряжений в метаморфических горных породах используют метод наклонной съемки [3,4].
Наблюдаемое в случае остаточных напряжений изменение положения дифракционного пика, выражаемое через величину A(26), связано с относительной деформацией следующим образом:
Ad „ A(26)
- = _ctg6o -(2б) (7)
Ectg6o(26o _26ш)
Отсюда у =-*— (8)
* 2(1+j>sinV
где E и jj- модуль упругости и коэффициент Пуассона породы.
_МЕЖДУНАРОДНЫЙ НАУЧНЫЙ ЖУРНАЛ «СИМВОЛ НАУКИ» №9/2015 ISSN 2410-700Х_
По данной методике нами исследовались структурные состояния и остаточные напряжения в образцах, извлеченных из разных месторождений в виде кернов, в исходном состоянии и после термической обработки. При нагревании в породе развиваются термомеханические напряжения, идет процесс испарение влаги, релаксация остаточных напряжений и т.д. Термообработка образцов проводилась для оценки влияния теплового поля и остаточных напряжений на механические свойства, особенно на прочность горных пород. Ниже приводится деформационные характеристики горных пород до и после термообработки.
Таблица 1
Характеристики деформационных свойств горных пород
Название и место отбора породы Состояние породы Номер образца Модуль упругости Е-10"5,МПа Коэффициент Пуассона, ^
Песчаник (Рогун) исходное 2 0,39 0,20
после термообработки 1 0,28 0,30
после термообработки 4 0,33 0,30
Гранит (Кыртабылгы) исходное 10 0,85 0,25
после термообработки 6 0,20 0,30
Мрамор (Новороссийск) исходное 12 0,76 0,18
после термообработки 7 0,30 0,40
Кварц (Вост. Коунрад шахта №6,г.220) исходное 13 0,75 0,23
исходное 14 0,75 0,23
Гранит (Вост. Коунрад шахта №6,г.150) исходное 15 0,43 0,27
исходное 16 0,43 0,27
Результаты структурных параметров и остаточных микронапряжений получены в лаборатории "Исследования физических процессов в горных породах" МГГИ (г. Москва) с использованием рентгеновского дифрактометра типа ДРОН-2 и ЭВМ, специальной программы.
На основе анализа положение и формы профилей дифракционных пиков с использованием Фуръе-анализа распределения интенсивности получена информация о среднем размере блока мозаики D, о величине относительной деформации кристаллической решетки Б , плотности дислокации на границе блока
PD, плотности дислокации внутри блока мозаики р£ , средней плотности дислокации PCp , напряжения внутри зерна Pв 3 , напряжения на границе зерна У ^ ^, вероятности дефектов упаковки X и двойниковых дефектов у, расстояние между дислокациями на границе блока , расстояния между дислокациями внутри блока Г. Результаты измерения этих параметров приведены в табл. 2. На основе результатов исследований
структуры и остаточных напряжений можно сделать следующие выводы:
1. В результате термической обработки в неоднородных горных породах происходит значительное уменьшение модуля упругости.
2. Плотность дислокации на границе блока мозаики зависит обратно пропорционально от размера блока.
3. В кальцитах плотность дислокаций от термообработки увеличивается в 2-5 раз, растягивающие остаточные напряжения III рода преобразуются в значительные сжимающие напряжения, напряжения растяжения внутри и на границах зерен уменьшаются в 2 -3 раза.
МЕЖДУНАРОДНЫЙ НАУЧНЫЙ ЖУРНАЛ «СИМВОЛ НАУКИ»
№9/2015
ISSN 2410-700Х
Таблица 2
Параметры структуры и остаточных напряжений минералов горных пород
Название и место отбора породы Название минерала Состояние и номер образца D, a р»-10-10 см2 id a л 's a £• 10-3 Pi-10-12 см2 р«р-10-12 см2 аЛ0ъ Y -103 103 Мбар агу 103 Мбар
Гранит Кыртабылга кварц исходн.,10 после т.о.,7 254 398 47 19 -8,8 -3,6 123 18 7,6 1,8 27 16 51 7,4 40 10,3 1,64 0 6 1
Мрамор Новороссийск кальцит исходн.,12 после т.о.,7 566 324 9,4 29 9,2 -8,2 17,5 17,1 1,3 2,2 2000 2000 3000 3000 11 4,8 0,80 0,26
Песчаник Рогун кальцит исходн.,2 после т.о.,4 784 239 5,0 52,0 8,9 -1,3 15 47 0,85 5,0 2000 2000 3000 2900 1,4 8,6 6,46 1,95
кварц исходн.,2 после т.о.,4 651 594 7,1 8,5 -0,68 -1,4 0,57 2,35 0,20 0,45 2,8 8,3 3.3 9.4 0,61 2,2 5,5 19
кварц исходн.,21 после т.о.,1 пос, т.о.,41 385 376 535 20,2 21,2 10,5 223 217 309 78 76 73 -3,97 -3,42 4,11
Кварц Вост. Коунрад кварц исходн.,2 исходн.,2 458 511 14,3 11,5 264 295 150 302 -2,93 -1,48
Гранит Вост. Коунрад кварц исходн.,2 исходн.,2 554 688 9,8 6,3 320 397 171 116 -1,99 -3,02
Список использованной литература:
1. Давиденков Н.Н. Об измерении остаточных напряжений/ Н.Н.Давиденков // Заводская лаборатория, №2.1950.- С. 188-192.
2. Зильбершмидт М.Г. Механизм изменения структурного состояния горных пород при внешнем воздействии // Физические свойства горных пород и процессов: Материалы Всесоюзной конф. М., 1984.
3. Freedman M.X-ray analysis of residual elastic strain in quartzose rocks.-Proc. 10 th Symp. Rock Meck. Fustintex, New-Iork, 1972.
4. Комяк Н.И., Мясников Ю.Г. Рентгеновские методы и аппаратура для определения напряжений. М.: Машиностроение , 1972.
© Р.М.Султаналиева, 2015
УДК553.981.2
Трофимова Галина Ивановна
канд. г.-м., наук, доцент ТГАСУ, г. Ленинск-Кузнецкий, РФ E-mail: galcka.trofimova2013@yandex.ru Черемисина Варвара Геннадьевна канд. пед. наук, доцент КРИПКиПРО, г. Кемерово, РФ E-mail: warwara82@mail.ru
ОРГАНИЗАЦИЯ В КУЗБАССЕ ПРОМЫСЛОВОЙ ДОБЫЧИ МЕТАНА ИЗ УГОЛЬНЫХ ПЛАСТОВ
КАК СОВРЕМЕННАЯ ЦЕЛЕСООБРАЗНАЯ ЗАДАЧА
Спутник шахтёрской профессии - метан, на протяжении долгого времени рассматривался с точки зрения обеспечения безопасности горных работ. И только недавно в нашей стране заговорили о метане совершенно в другом - технологическом, экологическом, социальном и экономическом аспектах, как о возможном и необходимом энергоносителе.
Рост мирового энергопотребления при ограниченных ресурсах первичных энергоносителей обусловливает необходимость рационального использования традиционных и нетрадиционных источников энергии с учетом экологических последствий их добычи и применения. В русле рассматриваемого вопроса актуальным на сегодняшний день является исследование свойств природного газа - метана.
