CC BY
51
___________________________________ © С.Д. Викторов, А.Н. Кочанов,
А.А. Осокин, 2011
УДК 622.25:502.5
С.Д. Викторов, А.Н. Кочанов, А.А. Осокин
ЗАКОНОМЕРНОСТИ ГЕНЕРАЦИИ МИКРО-И НАНОРАЗМЕРНЫХ ЧАСТИЦ ПРИ РАЗРУШЕНИИ И ДЕФОРМИРОВАНИИ ГОРНЫХ ПОРОД
Получены новые закономерности эмиссии микро- и наноразмерных минеральных частиц от уровня напряжений сжатия при одноосном нагружении образцов горных пород. Представлена зависимость распределения частиц во времени при изменении напряженно-деформи-рованного состояния.
Ключевые слова: горные породы, напряжение, деформация, эмиссия частиц, лазерная спектрометрия, прогнозирование, разрушение.
~П настоящее время особое значение приобретают вопросы -Я-М сверхтонкого разрушения горных пород и возникает необходимость оценки условий образования субмикронных минеральных частиц в технологических процессах горного производства [12]. С одной стороны микроразрушение породы способствует ее разделению на отдельные компоненты и выделению их при обогащении полезных ископаемых, тем самым, обуславливая повышения эффективности горного производства. С другой стороны интенсивное техногенное разрушение горных пород приводит к образованию сверхтонкой пыли, что имеет негативные экологические последствия. Кроме того при деформировании и разрушении горных пород образование высокодисперсных частиц характеризует условия протекания этих процессов, что может являться основой создания принципиально новых методов контроля состояния массива горных пород. В ранее проведенных нами исследованиях [3-5] было экспериментально установлено явление генерации минеральных частиц в условиях одноосного сжатия образцов. Целью настоящей работы является продолжение изучения закономерностей генерации микро- и наноразмерных частиц при изменении напряженно-дефор-мированного состояния образцов горных пород, анализ полученных зависимостей, а также разработка схем практической реализации полученных результатов для контроля состояния массива горных пород.
Рис. 1. Схема проведения эксперимента: 1 - образец горной породы; 2 - плиты пресса; 3 - сквозное отверстие; 4 - гибкие трубки; 5 - счетчик аэрозольных частиц; 6 - воздушный фильтр
Экспериментальная установка и методика измерений
Объектами исследования были образцы горных пород доломита, гранита, известняка и уртита. Большинство образцов име-ли кубическую форму с размером ребра 40-50 мм. Наг-ружение образцов горных пород осуществлялось на гидравли-ческом прессе от нулевого значения до разрушения. Образец горной породы подвергался квазистатическому одноосному нагружению с определенным шагом нагрузки и осуществлялась регистрация эмиссии микро- и наноразмерных минеральных частиц в течение 60 сек после очередного увеличения уровня нагрузки. Схема проведения эксперимента представлена на рис. 1. Образец горной породы 1 устанавливался между пли-тами пресса 2. Предварительно в центре образца создавался измерительный объем в виде сквозного отверстия 3, в которое были вставлены гибкие силиконовые трубки 4. Одна из трубок присоединялась к счетчику аэрозольных частиц 5, а другая к воздушному фильтру 6.
Счетчик аэрозольных частиц использовался для определе-ния количества и размеров микрочастиц в диапазонах: 0.3-0.5,
700
I 600
I 500
С5
% 400 £
| 300 а
§ 200 М
100
о
■ 0.3-0.5 мкм
■ 0.5-5.0мкм
■ >5 мкм
_ |
■ J
-Щ .ш
Доломит Грашгг Известняк
Рис. 2. Распределение количества частиц для образцов горных пород при уровне напряжений 0.5-0.8 осж
0.5-5.0 и >5.0 мкм. Перед каждым экспериментом система проверялась на герметичность. Применение воздушного филь-тра, не пропускавшего частицы размером более 100 нм, обес-печивало регистрацию только тех частиц, которые образова-лись внутри измерительного объема.
Результаты измерений и их анализ
По результатам экспериментов на рис. 2 показано распределение количества микро- и наноразмерных минеральных частиц для образцов горных пород при уровне напряжений 0.5-0.8 а , где а - предел прочности при сжатии, МПа.
Как следует из графиков, наиболее интенсивная генерация минеральных частиц для известняка наблюдалась в диапазоне размеров 0.3-0.5 мкм, а для доломита в диапазоне 0.5-5.0 мкм, для гранита в диапазоне 0.3-5.0 мкм. Необходимо отметить, что количество и распределение минеральных частиц при испытаниях пород одного типа в отдельных случаях существен-но различалось. Это связано с различной степенью микротре-щиноватости, наличие которой предопределяет развитие про-цессов деформирования и разрушения образцов.
Относительный уровень нагружения, асж/асж* Относительный уровень нагружения, асж/асж*
Рис. 3. Распределение количества частиц для образцов гранита (а) и уртита (б) в зависимости от действующих напряжений сжатия
■ 03-0.5 мкм
■ 0.5-5.0 мкм
■ >5 мкм
I -
50 60 70 80
Время наблюдения, сек
Рис. 4. Динамика эмиссии частиц в образце гранита при значении напряжения сжатия асж=0.6асж
На рис. 3 показано распределение частиц для образцов гранита (а) и уртита (б) в зависимости от действующих нап-ряжений сжатия. Обнаружено, что при возрастании напряже-ния до уровня, предшествующего его разрушению, наблюда-ется резкое увеличение эмиссии частиц, которые могут служить индикатором приближающегося макроразрушения.
Заметный прирост частиц у образца гранита наблюдается при относительном уровне нагружения осж/асж*= 0.4, а для уртита при асж/асж*= 0.6 (асж* - величина напряжения при котором происходит разрушение испытуемого образца). Однако у образца уртита линии диапазонов 0.3-0.5 и 0.5-5.0 мкм имеют больший угол наклона. Следует также отметить, что количество образовавшихся частиц размером более 5.0 мкм для исследуемых образцов незначительно.
В ходе проделанных экспериментов было установлено, что максимальное количество частиц было зафиксировано именно в момент увеличения нагрузки. Это связано со временем перераспределения напряжений на контуре сквозного отверстия, в результате которых происходит отрыв частиц от поверхности.
Рис. 5. Принципиальная схема для оценки напряженно-деформированного состояния массива горных пород: 1 - массив горных пород; 2 - шпур; 3 - герметичная заглушка; 4 - пробоотборные трубки; 5 - счетчик аэрозольных частиц; 6 -воздушный фильтр
Динамика эмиссии микрочастиц для образца гранита при фиксированном уровне напряжений показана на рис. 4.
Практическое применение результатов
На рис. 5 показана принципиальная схема для определения напряженно-деформированного состояния массива горных пород. Возможна следующая методика проведения измерений. В горном массиве 1 бурят шпур 2 и устанавливают герметичную заглушку 3, через которую проходят пробоотборные трубки 4. Одна из трубок присоединена к счетчику аэрозольных частиц 5, вторая к воздушному фильтру 6.
Выводы
Получены количественные оценки генерации частиц в диапазоне 0.3-0.5 мкм в зависимости от действующих напря-жений. Дисперсный состав генерируемых частиц и динамика их образования зависят от петрографических особенностей горных пород и степени их напряженности. Наибольшая генерация частиц наблюдается в момент увеличения нагрузки (для условий проведения эксперимента - первые 10 сек). При достижении определенного
критического уровня наблюдаются резкое возрастание интенсивности генерации частиц. Выяв-ленные закономерности могут служить основой для разработки метода контроля напряженно-деформированного состояния горных пород. Интенсивная генерация высокодисперсных частиц в диапазоне 0.3-5.0 мкм должна свидетельствовать о том, что действующие в массиве горных пород напряжения близки к критическим. Настоящие результаты будут полезны для решения прикладных задач в горном деле и строительстве. В том числе для решения задач геомеханического обеспечения, направленного на своевременное обнаружение признаков, предшествующих возникновению аварийных ситуаций, в сейсмологии, для оценки сейсмического воздействия на устой-чивость целиков, кровли выработок и др. Особую актуальность приобретают задачи, связанные с градостроительным освое-нием подземного пространства и мониторингом объектов, попадающих в зону влияния подземного строительства.
---------------------------------------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Чантурия В.А., Трубецкой К.Н., Викторов С.Д., Бунин И.Ж. Наночастицы в процессах разрушения и вскрытия геоматериалов// М.: ИПКОН РАН.- 2006.-216 с.
2. Трубецкой К.Н., Викторов С.Д., Галченко Ю.П., Одинцев В.Н. Техногенные минеральные частицы как проблема освоения недр// Вестник РАН.-2006.-т.76.- №4.- С.318-332.
3. Чантурия В.А., Викторов С.Д., Кочанов А.Н., Осокин А.А. Изучение эмиссии микро- и наноразмерных частиц при одноосном сжатии образцов горных пород/Физико-механические свойства горных пород и композитов в нано-, микро-и макрошкале. Тамбов.- 2010.- С.5-7.
4. Викторов С.Д., Кочанов А.Н., Осокин А.А. Определение состояния предразрушения горных пород по генерации микро- и наноразмерных частиц / ГИАБ- М.: Из-во Горная книга.- 2010- №ОВ1- С.88-93.
5. Викторов С.Д., Кочанов А.Н., Осокин А.А. Эмиссия микрочастиц при де-
формировании и разрушении образцов горных пород в условиях одноосного сжатия/ Вестник Тамбовского государственного университета.- 2010.- т.15.- вып.3., С. 1163-1164. ЕШ ' '
— Коротко об авторах ------------------------------------------------
Викторов С.Д. - профессор, доктор технических наук, зам. директора, Кочанов А.Н. - кандидат технических наук, ст. научный сотрудник, Осокин А.А.- научный сотрудник,
УРАН ИПКОН РАН, [email protected]
