Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Эмиссия тонкодисперсных минеральных частиц при нагружении горных пород

ВАК РФ 25.00.20, Геомеханика, разрушение пород взрывом, рудничная аэрогазодинамика и горная теплофизика

Автореферат диссертации по теме "Эмиссия тонкодисперсных минеральных частиц при нагружении горных пород"

На правах рукописи

005009307 У /7 /

ОСОКИН Александр Андреевич

ЭМИССИЯ ТОНКОДИСПЕРСНЫХ МИНЕРАЛЬНЫХ ЧАСТИЦ ПРИ НАГРУЖЕНИИ ГОРНЫХ ПОРОД

Специальность: 25.00.20 «Геомеханика, разрушение горных пород, рудничная аэрогазодинамнка и горная теплофизика»

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 ФЕ8 2012

Москва-2012

005009307

Работа выполнена в Институте проблем комплексного освоения недр Российской академии наук, Отдел проблем геомеханики и разрушения горных пород..

Научный руководитель: профессор, доктор технических наук

ВИКТОРОВ Сергей Дмитриевич

Ведущая организация: Московский государственный горный

университет (МН У)

Защита состоится «22» февраля 2012 г. в 10 час. 30 мин. на заседании диссертационного совета Д 002.074.02 при Институте проблем комплексного освоения недр Российской академии наук по адресу: 111020, Е-20, г. Москва, Крюковский тупик, 4; тел./факс 8-495-360-89-60.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института проблем комплексного освоения недр Российской академии наук.

Автореферат разослан « » января 2012 г.

Ученый секретарь

Официальные оппоненты:

профессор, доктор технических наук БОБИН Вячеслав Александрович

кандидат физико-математических наук КУЛИКОВ Владимир Иванович

диссертационного совета доктор технических наук

И.В. Милетенко

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Добыча твердых полезных ископаемых подземным способом в последнее время осуществляется на больших глубинах и в сложных горно-геологических условиях, С увеличением глубины разработки возникают трудности при транспортировке отбитой породы, проветривании горных выработок, эксплуатации горного оборудования и др. Под действием статических и динамических нагрузок горные породы вокруг выработок и скважин переходят в предельное состояние и разрушаются в условиях неоднородных объемных напряженных состояний.

В этой связи особую актуальность приобретает вопрос безопасности ведения горных работ. Для изучения напряженно-деформированного состояния массивов горных пород разработано большое количество методов и средств. Однако в силу высокой трудоемкости, слабой оперативности и других причин их применение ограничено. Совершенствование существующих и создание новых методов диагностики и контроля напряженно-деформированного состояния массивов горных пород, является приоритетным направлением для горнодобывающей промышленности.

В последние годы изучение наноразмерных частиц, создание наноматериалов и нанотехнологий является перспективным направлением научных исследований во всем мире. Добыча полезных ископаемых также связана с образованием микро- и наноразмерных минеральных частиц на различных этапах добычи и переработки. Появление тонкодисперсных частиц при разрушении горных пород негативно влияет на экологию, однако в определенных условиях оно может быть использовано для контроля механического состояния массивов горных пород. Поэтому фундаментальные исследования по раскрытию механизмов образования тонкодисперсных частиц и структурных изменений в горных породах являются актуальными.

Диссертационная работа выполнялась в соответствии с тематическими планами НИР Учреждения Российской академии наук Института проблем комплексного освоения недр РАН по теме: «Наноразмерные частицы в природе и техногенных продуктах: условия нахождения, физические и химические свойства и механизм образования» и при поддержке РФФИ (проект 11-05-00528-а).

Цель работы. Установление закономерностей эмиссии тонкодисперсных минеральных частиц при нагружении горных пород.

Научная идея работы. Использование эмиссии тонкодисперсных фракций с поверхности горных пород для оценки их

напряженного состояния.

Методы исследований. Для решения поставленных задач проводились комплексные исследования, включающие анализ существующих методов оценки и контроля напряженно-деформированного состояния массивов горных пород, обзор лабораторных эмиссионных методов при одноосном сжатии образцов геоматериалов, теоретические и экспериментальные исследования процессов деформирования и разрушения горных пород, проведение экспериментальных исследований в лабораторных условиях с использованием метода лазерной спектрометрии, компьютерное моделирование.

Научные положения, выносимые на защиту.

1) Деформирование образцов горных пород при их одноосном сжатии сопровождается образованием тонкодисперсных минеральных частиц с их поверхности с интенсивностью, зависящей от величины нагружен ия.

2) Интенсивность и дисперсный состав образующихся частиц определяется минеральным составом исследуемых горных пород.

3) Интенсивность эмиссии тонкодисперсных частиц экспоненциально возрастает по мере приближения нагрузок к пределу

прочности образца.

Научная новизна исследований:

- экспериментально установлено явление эмиссии минеральных частиц в диапазоне 0.3-5.0 мкм с поверхности цилиндрической полости при одноосном сжатии геоматериалов;

- установлено, что при возрастании напряжений до уровня, предшествующего разрушению исследуемых образцов наблюдается резкий рост эмиссии частиц;

- получены количественные оценки эмиссии частиц в зависимости от действующих напряжений сжатия и относительного уровня нагружения для различных типов геоматериалов;

- интенсивность и дисперсный состав эмиссии частиц определяется минеральным составом исследуемых геоматериалов;

- найдена функциональная зависимость между эмиссией частиц и относительным уровнем нагружения.

Личный вклад автора: определена цель и задачи исследований; обосновано приобретение оборудования для проведения экспериментальных исследований; разработан и создан экспериментальный стенд; опробована и усовершенствована методика проведения экспериментов; отобраны и подготовлены образцы геоматериалов; проведены экспериментальные исследования; получены и обработаны экспериментальные результаты; сделаны выводы.

Достоверность и обоснованность научных положений, выводов и рекомендаций, представленных в работе, подтверждены комплексной методикой работ, предусматривающей использование современных теоретических и экспериментальных методов исследований, применением современных высокотехнологических приборов и средств измерения.

Практическая ценность работы заключается в проведении экспериментальных исследований и установлении закономерностей эмиссии тонкодисперсных минеральных частиц при одноосном сжатии образцов геоматериалов. Результаты этих исследований могут стать основой разработки принципиально нового инструментального метода для прогноза катастрофических явлений, связанных с неконтролируемым разрушением массивов горных пород.

Апробация работы. Основные научные положения и результаты исследований докладывались на научных симпозиумах «Неделя горняка» (г. Москва, 2010, 2011 гг.), V Международной конференции с элементами научной школы для молодежи «Микромеханизмы пластичности, разрушения и сопутствующих явлений» (г. Тамбов, 2010 г.), XX Международной научной школе им. академика С. А. Христиановича (г. Алушта, 2010 г.), III Международном форуме по нанотехнологиям (г. Москва, 2010 г.), V «Фестивале Науки» (г. Москва, 2010 г.), на VII и VIII Международной научной школе молодых ученых и специалистов «Проблемы освоения недр в XXI веке глазами молодых» (г. Москва, 2010, 2011 гг.), VII и VIII Международной выставке «Недра. Изучение. Разведка. Добыча» (г. Москва, 2010, 2011 гг.), Первом междисциплинарном, международном симпозиуме «Свойства веществ при высоких давлениях и температурах. Физика, геология, механика, химия» (п.

Лею г. Сочи, 2011 г.), 7th International Conference on Physical Problems of Rock Destruction (Китай, 2011 г.), XI научно-практической конференции «Проблемы прогнозирования чрезвычайных ситуаций» (г. Москва, 2011 г.), Всероссийской конференции «Геодинамика и напряженное состояние недр земли» (г. Новосибирск, 2011 г.), IV Международной конференции «Деформация и разрушение материалов и наноматериалов» (г. Москва, 2011 г.).

Публикации. Основные положения и результаты исследований опубликованы в 12 научных работах, в том числе 4 в рецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК РФ. Новизна полученных результатов подтверждена 2 патентами.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и приложения, изложенных на 130 страницах машинописного текста, содержащих 46 рисунков, 6 таблиц, списка используемой литературы из 87 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Изучением напряженно-деформированного состояния массивов горных пород занимаются давно, но, не смотря на большое количество разработанных методов и средств его изучение актуально и на сегодняшний день. Большой вклад в изучение напряженно-деформированного состояния массивов горных пород, проведение теоретических и экспериментальных исследований процессов разрушения массивов горных пород, внесли следующие ученые: Н.В. Мельников, М.А. Садовский, К.Н. Трубецкой, В.А. Чантурия, Л.И. Барон, Г.П. Демидюк, В.А. Бобин, И.Ж. Бунин, С.Д. Викторов, Ю.П. Галченко, М.А. Иофис, В.М. Закалинский, H.H. Казаков, В.В. Кудряшов, C.B. Кузнецов, В.Н. Одинцев, В.А. Трофимов, А.Н.

Кочанов, В.И. Куликов и др.

Знания о напряженно-деформированном состоянии массивов горных пород и протекающих в них геомеханических и физических процессах, имеют фундаментальную значимость и необходимы^для создания безопасных технологий отработки месторождений и рационального извлечения полезных ископаемых. Первые работы по экспериментальному изучению напряженно-деформированного состояния массивов горных пород относят к 30-м г.г. прошлого столетия. За этот период было разработано и реализовано множество методов измерений, а также накоплен значительный объем

экспериментальных данных. Современные экспериментальные методы диагностики и контроля напряженно-деформированного состояния массивов горных пород условно можно разделить на механические и геофизические методы. В практике исследования наиболее распространенными оказались следующие методы: разгрузка (полная и частичная), компенсационная нагрузка, разность давлений, упругие включения, измерение деформаций буровых скважин. Однако, в силу достаточно высокой трудоемкости реализации единичных измерений, слабой оперативности этих методов и по ряду других причин для изучения геомеханических процессов наиболее удобной оказалась группа геофизических методов. Наибольшее распространение получили следующие геофизические методы: ультразвуковой, сейсмический, сейсмоакустический, электрометрический, акустический, электромагнитного излучения и др.

Деформирование и разрушение горных пород под действием горного давления и взрывных работ связаны с развитием микро- и макротрещин, которое сопровождается излучением акустических, электромагнитных и тепловых импульсов. Существуют методы, которые позволяют регистрировать эти импульсы и определять возникновение, рост и координаты трещин. Эмиссионные методы нашли широкое применение в горном деле, в частности, для лабораторных исследований образцов горных пород при их механическом нагружении. Этим методам посвящено множество экспериментальных и теоретических работ. Однако вещественная эмиссия, а именно образование твердых минеральных частиц с поверхности обнажения при механическом нагружении горных пород не изучена.

В Российском научном центре «Курчатовский институт» экспериментально была обнаружена зависимость генерации частиц при растяжении металлического стержня. Позже в лаборатории УРАН ИПКОН РАН были проведены совместные исследования, результаты которых подтвердили образование частиц в диапазоне 0.3-5.0 мкм с поверхностей граней образца доломита при его одноосном сжатии. В связи с возникшими техническими трудностями, в частности, связанными с герметизацией камеры, в УРАН ИПКОН РАН родилась идея замера эмиссии частиц внутри изолированного объема в горной

породе. В качестве этого объема была предложена сквозная

цилиндрическая полость.

Явление отрыва фрагментов горной породы от поверхности обнажения имеет место при высокой внутренней энергии геоматериала. Такое явление в макромасштабе можно наблюдать в подземных выработках, в виде «стреляния» и шелушения пород со стенок выработок, а в микромасштабе это явление известно как фрактоэмиссия. Согласно теории упругости о влиянии круглого отверстия на распределение напряжений, одноосное сжатие образца с цилиндрической полостью формирует в нем области с максимальными сжимающими и растягивающими напряжениями вблизи ее контура, т.е. создаются благоприятные условия для образования частиц с внутренней поверхности полости. Таким образом, есть два источника образования частиц: область с максимальными сжимающими напряжениями и область с максимальными растягивающими напряжениями. Данная гипотеза послужила теоретической основой последующих экспериментальных исследований данного явления.

Методика проведения экспериментов и первые результаты

Схема устройства для проведения экспериментальных исследований эмиссии частиц при одноосном сжатии образцов геоматериалов показана на рис. 1. Методика проведения исследований заключается в следующем. Предварительно в центре исследуемого образца 1 создают измерительный объем в виде сквозной цилиндрической полости 3 диаметром 6 мм. К этой полости с двух сторон прикрепляют пробоотборные трубки 4. Одну трубку присоединяют к счетчику аэрозольных частиц 5, а другую к воздушному фильтру 6. Образец устанавливают между опорными плитами пресса 2 и подвергают его одноосному сжатию от нулевого значения до разрушения. На протяжении всего времени эксперимента регистрируют параметры эмиссии частиц в диапазоне 0.3-5.0 мкм. Для изолирования полости от частиц из окружающей среды был использован воздушный фильтр, не пропускающий частицы размером более 100 нм.

Образец доломита кубической формы со стороной 40 мм и со сквозной цилиндрической полостью 6 мм подвергали одноосному сжатию с постоянной скоростью нагружения. Прочность на одноосное

сжатие составила 56 МПа. Регистрация числа частиц и анализ их дисперсного состава проводились с периодичностью 60 секунд.

Р

цилиндрическая полость; 4) пробоотборные трубки; 5) счетчик аэрозольных частиц; 6) воздушный фильтр.

Результаты экспериментальных исследований представлены на рисунке 2, где по оси абсцисс отложено напряжение сжатия а, МПа, а по оси ординат приведенное количество частиц, 1/м2 с.

Из этих зависимостей видно, что при приближении к разрушению наблюдается рост частиц во всех диапазонах, а при приближении к критическому состоянию - резкий рост эмиссии частиц, который является предвестником приближающегося макроразрушения образца. Аналогичные зависимости были получены и при испытаниях образцов уртита и известняка.

а)

Количество ЧЯГТИИ а, Ум -с

б)

К«;ш*>т»в члпин н, 1.<мЧ

Наирижем» «кат» о, МЛ»

Ншрзшеиаесжв'«« Ш1а ;

В ) Келячссчвв песта щ 1/мЧ

Рис 2. Зависимость эмиссии частиц от напряжений сжатия для образца доломита в различных диапазонах: а) 0.3-0.5 мкм; б) 0.5-5.0 мкм; в) >5.0 мкм.

В этих исследованиях было установлено явление эмиссии тонкодисперсных минеральных частиц с поверхности цилиндрической полости при одноосном сжатии образцов горных пород. Эти результаты стали основой для дальнейшего изучения этого явления и было принято решение о создании экспериментального стенда с возможностью реализации статического одноосного сжатия и компьютеризации полученных данных.

Создание экспериментального стенда

Экспериментальный стенд, который был разработан и создан для исследований эмиссии частиц при одноосном сжатии образцов геоматериалов со сквозной цилиндрической полостью представлен на рис. 3. Для создания стенда было использовано следующее

оборудование. В качестве нагружаемого устройства был выбран гидравлический пресс PR20P с максимальным усилием сжатия 200 кН, позволяющий обеспечить одноосное ступенчатое сжатия с возможностью реализации статического нагружения. Для определения нагрузки и изменения ее значений во времени был использован электронный динамометр сжатия ДОС-3-200И в комплекте с весовым индикатором R320. Регистрацию эмиссии частиц осуществляли с помощью счетчика аэрозольных частиц Hand Held 3013, который позволяет определять счетную концентрацию частиц в диапазоне 0.35.0 мкм. Для обеспечения герметизации измерительного объема полости применялся измерительный зонд, состоящий из пробоотборных трубок и воздушного фильтра.

Таким образом, зная параметры нагружения и результаты экспериментов, можно определить количество "и размерный диапазон частиц за определенный промежуток времени.

Проведение экспериментальных исследований

Необходимым условием для проведения исследований эмиссии частиц является обеспечение герметичности объема цилиндрической

9

Рис. 3. Общий вид экспериментального стенда.

полости. Это связано с тем, что количество частиц в атмосферном воздухе очень велико, и прежде чем начать эксперимент объем полости проверялся на герметичность. Для этого измерительный зонд прикрепляли к образцу и производили отбор проб воздуха из объема полости в ненагруженном состоянии. Ее герметичность будет подтверждена, если спустя некоторое время (как правило, несколько десятков секунд) количество частиц во всех размерных диапазонах станет нулевым. В противном случае имеет место быть фоновая концентрация (трещиноватый образец либо нарушена герметичность анализируемого объема воздуха за счет неплотного прилегания измерительного зонда к образцу) и проведение эксперимента нецелесообразно. В случае отсутствия фона, образец подвергали одноосному сжатию и непрерывно регистрировали параметры эмиссии частиц. Таким образом, применение воздушного фильтра позволило изолировать измерительный объем цилиндрической полости от частиц из окружающей среды, а частицы, зарегистрированные прибором, являются твердыми минеральными частицами, которые образовались с поверхности сквозной цилиндрической полости в результате одноосного сжатия исследуемых образцов геоматериалов.

По описанной выше методике, исследуемые образцы геоматериалов подвергали одноосному ступенчатому сжатию и непрерывно регистрировали параметры эмиссии частиц. Были выбраны следующие параметры нагружения: шаг нагрузки АР принимался примерно равным Р*/10, где Р* - нагрузка, при которой произошло разрушение образца. Время изменения нагрузки на величину АР составило 10 секунд, а время статического нагружения -

60 секунд.

Полученные результаты и их анализ

Ныли исследованы следующие типы геоматериалов: известняк, уртит доломит, гранит, железистый кварцит, калийная соль, дунит, змеевик, мрамор, песчаник и на всех этих образцах экспериментально было установлено это явление. Результаты исследований различных типов геоматериалов при фиксированном уровне нагружения Р-0.8Р* представлены на рисунке 4, где Р* - нагрузка, при которой произошло разрушение образца. По оси абсцисс отложены диапазоны размеров частиц, мкм, а по оси ординат количество частиц N. шт.

Рис. 4. Распределение эмиссии частиц при фиксированном относительном уровне нагружения Р=0.8Р*: а) мрамор; б) доломит; в) известняк; г) красный гранит; д) уртит; е) песчаник.

Из диаграмм видно, что количество частиц для этих типов геоматериалов существенно отличается друг от друга: для мрамора (а) максимальное количество частиц в диапазоне 0.5-5.0 мкм менее 70 а для уртита (д) и песчаника (е) около 20000 шт.

Д) N

25000

20000 15000 10000 5000 0

0.3-0.5 мкм 0.5

е) N

25000 20000 15000 10000 5000

о

-5.0 мкм >5 0 мкм 0 3-0 5 мкм 0 5-5 0 мкм >5 0 мкм

0.3-0.5 мкм 0 5-5.0 мкм >5 0 мкм

б) N

150

120 90 60 30 0

0 3-0 5 мкм 0 5-5 0 мкм ^5 0 мкм

0 3-0 5 мкм 0 5-5 0 мкм >5 0 мкм

0.3-0.5 мкм 0 5-5.0 мкм >5.0 мкм

Обработка экспериментальных данных

Полученные результаты экспериментальных исследований были обработаны с помощью компьютерной программы, разработанной СД Викторовым. На рисунке 5 представлен экранный вид компьютерной программы, которая позволяет рассчитывать коэффициенты функциональной зависимости, дисперсию и корреляционное отношение полученных данных.

$1 !*»*• Гякчзви» 09

4**5 ЩЩЖН*

■-'¡<?рт*г> чая***

ММЙКи

"II

ii.fi ^ .......... Ш

Рис. 5. Экранный вид компьютерной программы.

Для описания зависимости между эмиссией частиц и относительным уровнем нагружения нами была использована следующая формула

У = - 1),

где А и к - коэффициенты функциональной зависимости; X - относительный уровень нагружения, Х=о/а*; о - действующее напряжение сжатия в образце; а* - предельное значение напряжения сжатия. Такой вид зависимости наиболее точно описывает полученные

результаты.

На рисунке 6 показано распределение эмиссии частиц при одноосном сжатии образцов песчаника для различных диапазонов. По оси абсцисс отложен относительный уровень нагружения о/о*, а по оси ординат количество частиц N, шт.

Рис. 6. Интенсивность эмиссии частиц при одноосном сжатии образцов песчаника: а) 0.3-0.5 мкм; б) 0.5-5.0 мкм; в) >5.0 мкм.

Аналогичные зависимости были получены для образцов известняка и мрамора.

Необходимо отметить, что нами также были опробованы и образцы строительных материалов - бетонов. Увеличение нагрузки сопровождалось ростом эмиссии частиц, а при достижении определенного критического уровня напряжений в образце наблюдался резкий рост эмиссии частиц, который предвещал его макроразрушение.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Диссертация является законченной научно-исследовательской работой, в которой дано решение научной задачи по установлению закономерностей эмиссии тонкодисперсных минеральных частиц при нагружении горных пород для оценки их напряженного состояния

Основные выводы, научные и практические результаты работы

заключаются в следующем:

1 Экспериментально установлено явление эмиссии

тонкодисперсных минеральных частиц в диапазоне 0.3-5.0 мкм с поверхности цилиндрической полости при одноосном сжатии

различных типов горных пород.

2 Интенсивность и дисперсный состав эмиссии частиц, образующихся с поверхности цилиндрической полости, определяется минеральным составом исследуемых горных пород.

3 При приближении к нагрузке, близкой к пределу прочности образца, наблюдается экспоненциальный рост эмиссии частиц, который является индикатором приближающегося его

макроразрушения.

4 Проведена серия исследований эмиссии тонкодисперсных минеральных частиц для образцов известняка, мрамора и песчаника и экспериментально определен относительный уровень нагружения резкого роста эмиссии частиц. По результатам обработки экспериментальных данных найдена функциональная зависимость между эмиссией частиц и относительным уровнем нагружения.

5 Установлено, что зарегистрированные частицы образовались с поверхности цилиндрической полости в результате одноосного сжатия геоматериалов, что подтверждается герметичностью ее объема, который изолирован от частиц из окружающей среды посредством установки воздушного фильтра, не пропускающего

частицы размером более 100 нм.

6 Для выполнения лабораторных исследований по изучению эмиссии тонкодисперсных минеральных частиц с поверхности цилиндрической полости в одноосно нагружаемых образцах горных пород разработан и создан экспериментальный стенд.

Список работ, опубликованных автором но теме диссертации

Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК

1. Викторов С.Д., Кочанов А.Н., Осокин A.A. Определение состояния предразрушения горных пород по генерации микро- и наноразмерных частиц. Горный информационно-аналитический бюллетень, Труды научного симпозиума «Неделя горняка-2010». -М.: изд. «Горная книга», 2010. - С. 88-93.

2. Викторов С.Д., Кочанов А.Н., Осокин A.A. Эмиссия микрочастиц при деформировании и разрушении образцов горных пород в условиях одноосного сжатия / Вестник Тамбовского Университета, том 15, вып.З, 2010.-С. 1163-1164.

3. Викторов С.Д., Одинцев В.Н., Кочанов А.Н., Осокин А А Генерация микро- и наночастиц при деформировании и разрушении горных пород. Взрывное дело. Выпуск № 104/61. - М.-ЗАО «МВК по взрывному делу при АГН», 2010. - С. 63-73.

4. Викторов С.Д., Кочанов А.Н., Осокин A.A. Закономерности генерации микро- и наноразмерных частиц при разрушении и деформировании горных пород. Горный информационно-аналитический бюллетень, Труды научного симпозиума «Неделя горняка-2011». -М.: изд. «Горная книга», 2011.-С. 185-191.

Публикации в других изданиях

1. Чантурия В.А., Викторов С.Д., Кочанов А.Н., Осокин А А Изучение эмиссии микро- и наноразмерных частиц при одноосном сжатии образцов горных пород/ Сб.: Физико-механические свойства горных пород и композитов в нано-, микро- и макрошкале. - Тамбов, 2010» C« 5-7.

2. Викторов С.Д., Кочанов А.Н., Осокин A.A. Эмиссия микро- и наноразмерных частиц при деформировании образцов горных пород в условиях одноосного сжатия. Сб. трудов XX Международной научной школы им. академика С.А. Христиановича. - Симферополь, 2010. - С.

3. Осокин A.A. Эмиссия минеральных частиц при одноосном нагружении образцов горных пород. Проблемы освоения недр в XXI веке глазами молодых. Материалы 7 Международной научной шкозы молодых ученых и специалистов. 15-19 ноября 2010 г - М • УРАН ИПКОН РАН, 2010.-С. 136-139. '

4 Викторов С.Д., Кочанов А.Н., Одинцев В.Н., Осокин A.A. Эмиссия субмикронных частиц при деформировании горных пород// Труды симпозиума. - Ростов н/Д: Изд-во СКНЦ ВШ ЮФУ АПСН,

2010'5CVictorov S.D., Odintcev V.N., Kochanov A.N., Osokin A.A. Phenomenon of the [-mission of Microparticles under Quasi-Static Loading of Rocks // 7,h International Conference on Physical Problems of Rock

Destruction.-China, 2011.-P. 3-5. rw,,,,^

6 Викторов С.Д.. Кочанов A.H, Одинцев B.H., Осокин А А Эмиссия микрочастиц с поверхности деформируемых горных пород Труды Всероссийской конф. «Геодинамика и напряженное состояние недр Земли», т.1. - Новосибирск: Ин-т горного дела им.

H.A. Чинакала СО РАН, 2011.-С. 179-184.

7 Викторов С.Д., Одинцев В.Н., Кочанов А.Н., Осокин A.A. Контроль эмиссии микро- и наноразмерных минеральных частиц для прогноза катастрофических явлений // Проблемы прогнозирования чрезвычайный ситуаций. XI научно-практическая конференция. Сборник материалов. - М.: Центр «Антистихия», 2011. - С. 1У-/1.

8 Осокин A.A. Изучение эмиссии высокодисперсных частиц при деформировании геоматериалов. Проблемы освоения недр в XXI веке глазами молодых. Материалы 8 Международнойi научной школы молодых ученых и специалистов. 14-18 ноября 2011 г. - М.: УРАНИПКОН РАН, 2011.-С. 24-27.

Патенты

1 Патент РФ № 2418165. Способ определения состояния, предшествующего разрушению горных пород и строительных сооружений, и устройство для его осуществления. С.Д. Викторов, К.Н. Трубецкой. В.А. Чантурия, В.Н. Одинцев, А.Н. Кочанов, A.A. Осокин, П А Александров, В.И. Калечиц, М.Н. Шахов, Е.С. Хозяшева, М.И.

Веселая. - Бюллетень ФИПС. - 2011.-№ 13.

* Патент РФ по заявке № 20101 19584/28. Способ оценки

напряженно-деформированного состояния массива горных пород и строительных сооружений, и устройство для его осуществления. С.Д. Викторов. А.Н. Кочанов, A.A. Осокин.

Лицензия ЛР №21037 от 08 февраля 1996 г. Подписано в печать с оригинал-макета 12.01.2012 г. Формат 60x84 1/16. Бумага «Mega Сору Office». Печать офсетная. Набор компьютерный. Объем 1 пл. Тираж 100 экз. Заказ №193.

Издание ИПКОН РАН 111020 г. Москва, Крюковский тупик д. 4

Текст научной работыДиссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Осокин, Александр Андреевич, Москва

61 12-5/1560

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ НАУКИ ИНСТИТУТ ПРОБЛЕМ КОМПЛЕКСНОГО ОСВОЕНИЯ НЕДР РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК

ОСОКИН АЛЕКСАНДР АНДРЕЕВИЧ

ЭМИССИЯ ТОНКОДИСПЕРСНЫХ МИНЕРАЛЬНЫХ ЧАСТИЦ ПРИ НАГРУЖЕНИИ ГОРНЫХ ПОРОД

Специальность: 25.00.20 - «Геомеханика, разрушение горных пород, рудничная аэрогазодинамика и горная теплофизика»

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: профессор, доктор технических наук ВИКТОРОВ СЕРГЕЙ ДМИТРИЕВИЧ

Москва-2012 г.

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ.......................................................... 4

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ СОВРЕМЕННОГО СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА... 9

1Л. Существующие методы изучения напряженно-

деформированного состояния массивов горных пород...... 9

1.2. Эмиссионные методы оценки напряженно-деформированного состояния горных пород.................. 35

1.3. Методы и средства для определения параметров тонкодисперсных частиц........................................... 40

1.4. Современные методы определения механических свойств горных пород в наномасштабе.................................... 45

1.5. Цель работы и задачи исследования............................. 49

ГЛАВА 2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ОБРАЗОВАНИЯ ЧАСТИЦ С ПОВЕРХНОСТИ ПОЛОСТИ ПРИ НАГРУЖЕНИИ ГЕОМАТЕРИАЛОВ................................................ 51

2.1. Классификация генетических типов горных пород........... 51

2.2. Неоднородность горных пород и их петрографические особенности........................................................... 53

2.3. Источники тонко дисперсных частиц............................ 65

2.4. Теоретические основы образования частиц с поверхности цилиндрической полости........................................... 69

2.5. Моделирование процессов деформирования и разрушения цилиндрической полости........................................... 74

ГЛАВА 3. РАЗРАБОТКА И СОЗДАНИЕ

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО СТЕНДА.......................... 78

3.1. Обоснование проведения экспериментов....................... 78

3.2. Методика проведения экспериментов и первые

результаты............................................................. 80

3.3. Создание экспериментального стенда......................................................85

3.4. Подготовка образцов и необходимое оборудование..................91

ГЛАВА 4. ПРОВЕДЕНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТОВ И АНАЛИЗ

ПОЛУЧЕННЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ................................................................94

4.1. Проведение экспериментальных исследований..............................94

4.2. Полученные результаты и их анализ........................................................96

4.3. Планирование дальнейших экспериментов..........................................106

4.4. Обработка и анализ экспериментальных данных..........................108

ЗАКЛЮЧЕНИЕ............................................................................................................117

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ....................................................................................119

ПРИЛОЖЕНИЯ............................................................................................................128

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность проблемы. Добыча твердых полезных ископаемых подземным способом в последнее время осуществляется на больших глубинах и в сложных горно-геологических условиях. С увеличением глубины разработки возникают трудности при транспортировке отбитой породы, проветривании горных выработок, эксплуатации горного оборудования и др. [54]. Под действием статических и динамических нагрузок горные породы вокруг выработок и скважин переходят в предельное состояние и разрушаются в условиях неоднородных объемных напряженных состояний.

В этой связи особую актуальность приобретает вопрос безопасности ведения горных работ. Для изучения напряженно-деформированного состояния массивов горных пород разработано большое количество методов и средств [25-30,49,50,62,63,84,85]. Однако в силу высокой трудоемкости, слабой оперативности и других причин их применение ограничено. Совершенствование существующих и создание новых методов диагностики и контроля напряженно-деформированного состояния массивов горных пород, является приоритетным направлением для горнодобывающей промышленности.

В последние годы изучение наноразмерных частиц, создание наноматериалов и нанотехнологий является приоритетным направлением научных исследований во всем мире. Добыча полезных ископаемых также связана с образованием микро- и наноразмерных минеральных частиц на различных этапах добычи и переработки [44,73,80]. Появление тонкодисперсных частиц при разрушении горных пород негативно влияет на экологию [13,71,73], однако в определенных условиях оно может быть использовано для контроля механического состояния массивов горных пород [16,18,19,23]. Поэтому фундаментальные исследования по раскрытию

механизмов образования тонкодисперсных частиц и структурных изменений в горных породах являются актуальными.

Диссертационная работа выполнялась в соответствии с тематическими планами НИР Учреждения Российской академии наук Института проблем комплексного освоения недр РАН по теме: «Наноразмерные частицы в природе и техногенных продуктах: условия нахождения, физические и химические свойства и механизм образования» и при поддержке РФФИ (проект 11-05-00528-а).

Цель работы. Установление закономерностей эмиссии тонкодисперсных минеральных частиц при нагружении горных пород.

Научная идея работы. Использование эмиссии тонкодисперсных фракций с поверхности горных пород для оценки их напряженного состояния.

Методы исследований. Для решения поставленных задач использовались комплексные исследования, включающие анализ существующих методов оценки и контроля напряженно-деформированного состояния массивов горных пород, обзор лабораторных эмиссионных методов при одноосном сжатии образцов геоматериалов, теоретические и экспериментальные исследования процессов деформирования и разрушения горных пород, проведение экспериментальных исследований в лабораторных условиях с использованием метода лазерной спектрометрии, компьютерное моделирование.

Научные положения, выносимые на защиту.

1) Деформирование образцов горных пород при их одноосном сжатии сопровождается образованием тонкодисперсных минеральных частиц с их поверхности с интенсивностью, зависящей от величины нагружения.

2) Интенсивность и дисперсный состав образующихся частиц определяется минеральным составом исследуемых горных пород.

3) Интенсивность эмиссии тонко дисперсных частиц экспоненциально возрастает по мере приближения нагрузок к пределу прочности образца.

Научная новизна исследований:

- экспериментально установлено явление эмиссии минеральных частиц в диапазоне 0.3-5.0 мкм с поверхности цилиндрической полости при одноосном сжатии геоматериалов;

- установлено, что при возрастании напряжений до уровня, предшествующего разрушению исследуемых образцов наблюдается резкий рост эмиссии частиц;

- получены количественные оценки эмиссии частиц в зависимости от действующих напряжений сжатия и относительного уровня нагружения для различных типов геоматериалов;

- интенсивность и дисперсный состав эмиссии частиц определяется минеральным составом исследуемых геоматериалов;

- найдена функциональная зависимость между эмиссией частиц и относительным уровнем нагружения.

Личный вклад автора: определена цель и задачи исследований; обосновано приобретение оборудования для проведения экспериментальных исследований; разработан и создан экспериментальный стенд; опробована и усовершенствована методика проведения экспериментов; отобраны и подготовлены образцы геоматериалов; проведены экспериментальные исследования; получены и обработаны экспериментальные результаты; сделаны выводы.

Достоверность и обоснованность научных положений, выводов и рекомендаций, представленных в работе, подтверждены комплексной методикой работ, предусматривающей использование современных теоретических и экспериментальных методов исследований, применением современных высокотехнологических приборов и средств измерения.

Практическая ценность работы заключается в проведении экспериментальных исследований и установлении закономерностей эмиссии тонкодисперсных минеральных частиц при одноосном сжатии образцов геоматериалов. Результаты этих исследований могут стать основой разработки принципиально нового инструментального метода для прогноза катастрофических явлений, связанных с неконтролируемым разрушением массивов горных пород.

Апробация работы. Основные научные положения и результаты исследований докладывались на научных симпозиумах «Неделя горняка» (г. Москва, 2010, 2011 гг.), V Международной конференции с элементами научной школы для молодежи «Микромеханизмы пластичности, разрушения и сопутствующих явлений» (г. Тамбов, 2010 г.), XX Международной научной школе им. академика С.А. Христиановича (г. Алушта, 2010 г.), III Международном форуме по нанотехнологиям (г. Москва, 2010 г.), V «Фестивале Науки» (г. Москва, 2010 г.), на VII и VIII Международной научной школе молодых ученых и специалистов «Проблемы освоения недр в XXI веке глазами молодых» (г. Москва, 2010, 2011 гг.), VII и VIII Международной выставке «Недра. Изучение. Разведка. Добыча» (г. Москва, 2010, 2011 гг.), Первом междисциплинарном, международном симпозиуме «Свойства веществ при высоких давлениях и температурах. Физика, геология, механика, химия» (п. JIoo, г. Сочи, 2011 г.), 7th International Conference on Physical Problems of Rock Destruction (Китай, 2011 г.), XI научно-практической конференции «Проблемы прогнозирования чрезвычайных ситуаций» (г. Москва, 2011 г.), Всероссийской конференции «Геодинамика и напряженное состояние недр земли» (г. Новосибирск, 2011 г.), IV Международной конференции «Деформация и разрушение материалов и наноматериалов» (г. Москва, 2011 г.).

Публикации. Основные положения и результаты исследований опубликованы в 12 научных работах, в том числе 4 в рецензируемых

изданиях, рекомендованных ВАК РФ. Новизна полученных результатов подтверждена 2 патентами.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и приложения, изложенных на 130 страницах машинописного текста, содержащих 46 рисунков, 6 таблиц, списка используемой литературы из 87 наименований.

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ СОВРЕМЕННОГО СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА 1.1. Существующие методы изучения напряженно-деформированного

состояния массивов горных пород

Изучением напряженно-деформированного состояния (НДС) массивов горных пород занимаются давно, но, несмотря на большое количество разработанных методов и средств, в силу ряда нерешенных задач, его изучение актуально и на сегодняшний день. Об этом свидетельствуют неблагоприятные условия труда, которые сохраняются до сих пор. Горнякам приходится сталкиваться с большими трудностями, неожиданными и опасными явлениями, катастрофическими ситуациями с многочисленными жертвами.

Техногенная деятельность человека приводит к изменению естественного напряженного состояния массивов горных пород. Для проектирования и эксплуатации месторождений полезных ископаемых необходимо знать начальное напряженное состояние, после проведения горных выработок, а также его изменение в период эксплуатации [85]. Знания о НДС массивов горных пород, протекающих в них геомеханических и физических процессах, имеют фундаментальную значимость для решения широкого круга проблем, связанных с созданием безопасных технологий отработки месторождений, рациональным извлечением полезных ископаемых [49].

Первые работы по экспериментальному изучению НДС массивов горных пород относят к 30-м гг. прошлого столетия. За этот период было разработано и реализовано множество методов измерений, а также накоплен значительный объем экспериментальных данных [84].

В истории развития горного дела известны многие случаи, связанные с человеческими жертвами и значительным экономическим уроном, обусловленные внезапными выбросами угля и газа, горными ударами, обрушениями кровли, разрушением целиков и т.д. Начальные сведения о горных ударах на оловянных рудниках Англии относят к первой половине

XVIII в. Во второй половине XIX века горные удары стали отмечаться в странах Западной Европы. В нашей стране первые горные удары зарегистрированы на шахтах Кизиловского каменноугольного месторождения в 1944 г. [49]. Увеличение глубины разработки месторождений сопровождается возникновением технологических трудностей при транспортировке отбитой породы, проветривании горных выработок, эксплуатации горного оборудования и др. Особую актуальность приобретает вопрос безопасности ведения горных работ, т.к. с увеличением глубины растут напряжения в нетронутом массиве, а напряжения на контуре выработки соизмеримы с прочностью пород [54].

Большой вклад в изучение НДС массивов горных пород, проведение теоретических и экспериментальных исследований процессов разрушения массивов горных пород, внесли следующие ученые: Н.В. Мельников, М.А. Садовский, К.Н. Трубецкой, В.А. Чантурия, Л.И. Барон, Г.П. Демидюк, В.А. Бобин, И.Ж. Бунин, С.Д. Викторов, Ю.П. Галченко, М.А. Иофис, В.М. Закалинский, H.H. Казаков, В.В. Кудряшов, C.B. Кузнецов, В.Н. Одинцев, В.А. Трофимов, А.Н. Кочанов, В.И. Куликов и др. [1,5,6,8,11,12,14,15,34,36, 37,39,40-46,48,53,59,60,64,66-68,70-77,80-82].

Существующие методы определения НДС массивов горных пород по физическим принципам, положенным в их основу, можно разделить на несколько групп [41].

К первой группе относят методы, с помощью которых оценивают параметры различных технологических процессов горного производства, изменяющихся в зависимости от степени естественной напряженности массива. К этой группе относят способы, которые основаны на определении усилия подачи бурового инструмента на забой скважины, процента выхода и фракционного состава штыба и буровой мелочи, степени выхода и вида разрушения керна буровых скважин, формы и размеров сечений буровых скважин, камуфлетных полостей при взрыве зарядов, горных выработок, а также методы, моделирующие указанные процессы (вдавливание штампа в

забой или стенки скважины, применение специальных прочностномеров и т.д.).

Ко второй группе относят деформационные способы, основанные на измерении деформаций пород с последующим вычислением действующих напряжений.

Наиболее распространенным деформационным способом определения абсолютных значений напряжений является метод разгрузки, который основан на измерении упругих деформаций восстановления при отделении некоторого элемента от породного массива и разгрузке его от действовавших в нем напряжений. По измеренным деформациям, зная упругие константы пород (модуль продольной упругости Е и коэффициент поперечных деформаций v), вычисляют действовавшие в массиве напряжения, используя теорию упругости. Теоретической базой этого метода служит теорема о разгрузке профессора A.A. Ильюшина, согласно которой для любого сложного напряженного состояния зависимости между деформациями упругого восстановления при разгрузке и действовавшими в элементе среды напряжениями подчиняются теории упругости. Этот метод применяется для пород достаточной прочности, сохраняющих форму элемента после нарушения его связи с массивом и обладающих упругими свойствами. Метод неприменим для сыпучих и сильно пластичных пород. Существует два варианта применения этого метода: торцевых измерений и соосных скважин.

Вариант торцевых измерений получил широкое распространение в странах бывшего СССР. Для измерений в горной выработке бурят скважину диаметром 76-80 мм и с помощью специальной коронки шлифуют забой (торец) этой скважины. С помощью прижимного устройства к торцу скважины в строго ориентированном положении приклеивают розетку из четырех или трех электротензометрических датчиков. После полной полимеризации клея, обеспечивающего совместность деформаций пород и тензодатчиков, кольцевой коронкой обуривают торец скважины. При этом обуриваемый элемент породного массива освобождается от действовавших в

нем напряжений и испытывает деформации, фиксируемые тензодатчиками. Используя формулы теории упругости, определяют напряжения в плоскости торца скважины. При вычислении напряжений необходимые упругие константы пород Е и V определяют по породному керну, который получают при обуривании торца скважины в точке измерения. Это необходимо для исключения погрешности упругих констант в различных точках массива. С помощью описанных действий получают значения главных напряжений в плоскости торца скважины в одной выбранной точке массива. Далее продолжают бурение скважин и повторяют аналогичные измерения в других точках. Получают серию измерений и подвергают их математической обработке и анализу.

Метод соосных скважин от описанного выше отличается тем, что бурят опережающую центральную скважину диаметром около 40 мм. В ней устанавливают деформометры (схема Н. Хаста) либо не ее стенки с помощью специальных приспособлений наклеивают тензодатчики (схема Е. Лимана). Схема наклейки тензодатчиков на стенки скважины малого диаметра при измерениях напряжений в массиве пород методом разгрузки в варианте соосных скважин показана на рисунке 1.1. В случ�