Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Разработка метода идентификации осадочных горных пород по параметрам их термоакустической эмиссии

ВАК РФ 25.00.16, Горнопромышленная и нефтегазопромысловая геология, геофизика, маркшейдерское дело и геометрия недр

Автореферат диссертации по теме "Разработка метода идентификации осадочных горных пород по параметрам их термоакустической эмиссии"

4856670

ВИЛЬЯМОВ Сергей Владимирович

РАЗРАБОТКА МЕТОДА ИДЕНТИФИКАЦИИ ОСАДОЧНЫХ ГОРНЫХ ПОРОД ПО ПАРАМЕТРАМ ИХ ТЕРМОАКУСТИЧЕСКОЙ ЭМИССИИ

Специальность 25.00.16 - «Горнопромышленная и нефтегазопромысловая геология, геофизика, маркшейдерское дело и геометрия недр»

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

- 6 ОКТ 2011

Москва 2011

4856670

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Московский государственный горный университет»

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор ВОЗНЕСЕНСКИЙ Александр Сергеевич

Официальные оппоненты:

доктор технических наук ЖУКОВ Виталий Семенович

кандидат технических наук ФИЛИМОНОВ Юрий Леонидович

Ведущая организация:

Федеральное государственное унитарное предприятие «Всероссийский научно-исследовательский институт минерального сырья им. Н. М. Федоровского» (ФГУП «ВИМС»)

Защита диссертации состоится «19» октября 2011 г. в 12 ч. 30 мин. на заседании диссертационного совета Д-212.128.04 при Московском государственном горном университете по адресу: 119991, Москва, Ленинский проспект, д.6, ауд. Г-312

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного горного университета

Автореферат разослан «19» сентября 2011 г.

И. о. ученого секретаря диссертационного совета доктор технических наук, профессор

Общая характеристика работы

Актуальность работы. Важность решения задачи идентификации горных пород в последнее время возрастает ввиду увеличения объемов добываемого минерального сырья и повышения требований к технологичности и качеству его переработки. Существующие методы анализа, используемые для решения этой задачи, такие как термогравиметрический (ТГА), дифференциальный термический (ДТА) и другие, наряду с определенными достоинствами, обладают также и рядом недостатков. Наиболее существенным из них является относительно высокая стоимость аналитического оборудования, реализующего эти методы, а также недостаточная надежность результатов, получаемых с их использованием. Кроме того, результаты, получаемые с применением этих методов, не всегда обладают высокой достоверностью, что связано с погрешностями измерений. Аналитические методы, как правило, ставят своей задачей определение вещественного состава и не учитывают структуру и строение горных пород, которые также являются их важными отличительными признаками. Результаты, полученные с использованием вышеуказанных методов, нуждаются в дополнительной проверке, для чего в данной работе рекомендуется применять метод акустической эмиссии (АЭ), хорошо зарекомендовавший себя при прогнозировании разрушений горных пород в процессе их деформирования. Одним из перспективных направлений надежной идентификации минерального сырья с использованием АЭ является анализ термоакустической эмиссии (ТАЭ), которая возникает при нагревании образцов горных пород и связана с индивидуальными особенностями их состава, структуры и свойств.

Однако проявления АЭ при нагревании горных пород, в частности осадочных, на сегодняшний день изучены недостаточно, а для создания соответствующего метода идентификации требуется решение ряда задач теоретического, методического и аппаратурного характера. Следует учесть, что метод ТАЭ по сравнению с другими требует меньше временных и трудовых затрат на проведение исследований. Отмеченное выше определяет актуальность выбранной темы, направленной на обоснование и разработку акустоэмиссион-ного метода идентификации осадочных горных пород па основе изучения характерных особенностей АЭ при их нагревании.

Целью диссертационной работы является установление закономерностей проявления акустической эмиссии при нагревании образцов осадочных горных пород и разработка на этой основе метода их идентификации и определения принадлежности к конкретному месторождению.

Идея работы заключается в использовании для идентификации конкретного типа осадочной горной породы характерных для нее особенностей акустической эмиссии при нагревании.

В работе решаются следующие задачи: • разработка аппаратурного и методического обеспечения проведения тер-моакустоэмиссионных исследований горных пород;

• установление основных закономерностей акустической эмиссии в некоторых характерных осадочных горных породах при их нагревании;

• разработка и обоснование алгоритма идентификации горных пород по параметрам термоакустической эмиссии;

• оценка возможности и достоверности идентификации типа горных пород различного минерального состава по параметрам термоакустической эмиссии;

• оценка возможности и достоверности идентификации по параметрам термоакустической эмиссии конкретного месторождения, которому принадлежат образцы осадочной горной породы.

Методы исследований:

• анализ и обобщение существующих физических методов идентификации минералов и горных пород, а также современного состояния акустоэмис-сионных исследований последних;

• экспериментальные лабораторные исследования акустической эмиссии в горных породах при их нагревании;

• методы компьютерного моделирования термонапряжений в горной породе как источников акустической эмиссии;

• математические методы и алгоритмы распознавания образов;

• компьютерная обработка, анализ и интерпретация данных термоакусто-эмиссионных исследований.

Основные научные положения, выносимые на защиту:

1. Термоакустоэмиссионные испытания горных пород с целью их идентификации следует осуществлять при постоянной и одинаковой для всех образцов скорости нагревания, максимальное значение которой не должно превышать 10 °С/мин. для исключения помеховых факторов, связанных с появлением акустической эмиссии из-за чрезмерно высокого температурного градиента, и недопустимого влияния условий проведения эксперимента на результаты испытаний.

2. Для каждого типа осадочной горной породы, принадлежащей к конкретному месторождению, присущи свои характерные закономерности проявления термоакустической эмиссии, заключающиеся в чередовании определенных температурных областей, где наблюдаются максимальные и минимальные значения активности акустической эмиссии; указанные закономерности позволяют решать задачу идентификации осадочных горных пород.

3. Использование для анализа закономерностей термоакустической эмиссии осадочных горных пород методов распознавания образов, реализующих проверку гипотез на основе непараметрической статистики, в частности метода ближайшего соседа, позволяет идентифицировать эти породы с достоверностью не менее 93%.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются:

• использованием для проведения лабораторных экспериментов аппаратуры с высокими метрологическими характеристиками и методик измерения,

подтвердивших достоверность полученных результатов при ранее проводившихся исследованиях;

• использованием проверенных математических методов статистики и стандартного базового программного обеспечения для обработки экспериментальных данных;

• хорошей воспроизводимостью закономерностей акустической эмиссии, полученных при проведении однотипных измерений на статистически значимом количестве (более 10) образцов пород, взятых с каждого из исследованных месторождений;

• высокой вероятностью правильного распознавания месторождения, к которому относится исследуемый образец осадочной горной породы, составляющей не менее 93 %.

Научная новизна исследований заключается:

• в определении оптимальной скорости нагревания образцов, позволяющей снизить до незначительных величин погрешность, вносимую температурным градиентом;

• в установлении особенностей проявления термоакустической эмиссии в температурных диапазонах 20-1000 °С образцов различных осадочных горных пород, а также пород одной генетической группы (известняков), принадлежащих разным месторождениям;

• в обосновании возможности использования непараметрических методов статистики для распознавания типа горной породы и ее принадлежности к конкретному месторождению.

Научное значение работы состоит в установлении закономерностей акустической эмиссии, возникающей при нагревании образцов конкретных типов осадочных горных пород.

Практическая ценность работы заключается в разработке методических рекомендаций по идентификации горных пород на основе их термоаку-стоэмиссионных испытаний.

Реализация результатов работы. По результатам работы подготовлены «Методические рекомендации по идентификации горных пород на основе их термоакустоэмиссионных испытаний», которые переданы в Федеральное государственное унитарное предприятие «Всероссийский научно-исследовательский институт минерального сырья им. Н. М. Федоровского» (ФГУП «ВИМС») и приняты к практическому использованию.

Апробация работы. Результаты работы докладывались на научных симпозиумах «Неделя горняка» (Москва, МГГУ, 2005-2011 гг.); международном симпозиуме «АсоизйсБ'ОБ» (Париж 2008 г.); научных сессиях Российского акустического общества (2005-2008 гг.); на семинарах кафедры ФТКП (2008-2011 гг.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 работ.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, содержит 15 таблиц, 37 рисунков, список использованных источников из 148 наименований.

Основное содержание работы

Первая глава диссертации посвящена анализу современного состояния проблемы, а также существующих методов и технических средств, используемых для идентификации осадочных горных пород.

Современная динамично развивающаяся горнодобывающая промышленность диктует свои высокотехнологичные требования к методам добычи и обработки полезных ископаемых. Так, задача идентификации горных пород и минералов является одной из важнейших задач, которые приходится решать как при добыче, так и при переработке полезных ископаемых.

Для идентификации горных пород и минералов наиболее перспективными являются физические методы, среди которых особое место занимают термические методы анализа, в которых в качестве воздействия на горные породы используется их нагревание. В то же время повышение требований к достоверности идентификации горных пород заставляет искать новые методы. К ним может быть отнесен метод акустической эмиссии (АЭ), широко используемый для контроля различных технических объектов при их механическом нагружении.

Экспериментальным и теоретическим исследованиям явления АЭ, регистрируемой в горных породах в различных диапазонах частот, свои работы посвятили такие отечественные и зарубежные ученые, как М. С. Анциферов, С. Д. Виноградов, А. С. Вознесенский, Г. Данеган, В. С. Жуков, С. В. Кузнецов, В. С. Куксенко, С. В. Кучурин, А. В. Лавров, В. А. Мансуров, А. В. Пономарев, Ю. В. Ризниченко, А. Д. Рубан, В. Н. Савельев, В. М. Сбоев, Г. А. Соболев, Н. Г. Томилин, Ю. Л. Филимонов, Д. И. Фролов, Р. Харди, В. Л. Шкуратник, B.C. Ямщиков и другие.

Методы определения структуры, свойств и состояния горных пород предусматривают определенные воздействия на них (механические, радиоволновые, электрические и др.) и анализ изменений различных физических величин, являющихся откликами на эти воздействия. В качестве подобных воздействий перспективно использование нагревания, а в качестве отклика -возникающей при нагревании и охлаждении пород АЭ.

В области исследования высокочастотной термоакустической эмиссии известны работы таких ученых, как В. А. Винников, А. С. Вознесенский, С. В. Кучурин, А. В. Лавров, В. Л. Шкуратник и других. В то же время ряд вопросов в этой области остается открытым до сих пор. Не изучены закономерности проявления ТАЭ ряда горных пород и не разработаны методы их идентификации по результатам термоакустоэмиссионных испытаний.

Так как в горном производстве преимущественно разрабатываются се-диментогенные (поверхностные) месторождения, а объем осадочных пород таких месторождений составляет около 70-75 %, для проведения экспериментальных исследований в данной работе были отобраны образцы таких пород, как гипс и известняк.

Проведенный анализ современного состояния проблемы идентификации горных пород аналитическими методами показал, что наряду с достоинствами такие методы обладают и рядом недостатков. В то же время рассматриваемый метод АЭ при его применении как самостоятельно, так и в сочетании с другими позволяет повысить достоверность и уменьшить трудоемкость анализа. Для того чтобы эти цели были достигнуты, в работе решаются следующие задачи: разработка аппаратурного и методического обеспечения проведения термоакустоэмиссионных исследований горных пород; установление основных закономерностей АЭ в осадочных горных породах при их нагревании; оценка достоверности идентификации горных пород различного минерального состава по параметрам ТАЭ; оценка возможности и достоверности определения по параметрам ТАЭ конкретного месторождения, к которому принадлежит осадочная горная порода.

Вторая глава диссертационной работы посвящена обоснованию требований к оборудованию для реализации метода ТАЭ и разработке лабораторной установки для акустоэмиссионных исследований горных пород. В ней рассмотрены: построение информационно-измерительной системы, методика и результаты тестовых испытаний, а также дано описание образцов горных пород, использованных при исследовании. Приведено обоснование режима нагревания образцов горной породы и минералов, обоснована максимально допустимая скорость нагревания, позволяющая исключить влияние помехо-вых факторов, связанных с чрезмерно высокими температурным градиентом и вызываемыми им напряжениями.

Лабораторная установка для экспериментальных исследований возникновения ТАЭ должна отвечать следующим требованиям: высокая точность и достоверность измерений, низкое влияние различных шумов и снижение трудоемкости испытаний.

Экспериментальная установка (рис. 1) содержит нагревательную трубчатую печь 1 (показан разрез этой печи) типа ЫаЬеЛЬепп КТ 50/250/11 с контроллером 2. Печь позволяет производить нагрев образцов до 1100 "С.

В нагревательную трубу 3 помещается образец 4, к которому через волноводы 5, 6 из кварцевого стекла подсоединены преобразователи акустической эмиссии (АЭ) 7, 8, соединенные с первым и вторым приборны-

ми каналами. В качестве волноводов используются кварцевые стержни, каждый длиной 280 мм. С торцов нагревательная труба закрыта термоизолирующими заглушками 9, 10. Для измерения температуры внутри образца Tsp во время нагрева в пробуренные в нем отверстия помещаются термопары 11, 12, соединенные с соответствующими измерительными каналами. Кроме того, значение температуры печи Tov может быть получено с помощью штатного термометра, показания которого выведены на переднюю панель контроллера 2. Для прижатия друг к другу преобразователей 7, 8 АЭ, волноводов 5,6 и образца 4 горной породы используется груз 13. Все необходимые параметры регистрируются с помощью акустоэмиссионной системы 14 A-Line 32D (ООО «Интерюнис», г. Москва).

Для обработки зарегистрированных данных используется специально написанное в среде Mathcad программное обеспечение, корректируемое при изменении условий эксперимента.

Перед осуществлением термоакустоэмиссионых измерений проведены предварительные испытания без образцов пород. Экспериментально установлено, что в диапазоне от 20 до 500 °С увеличение температуры печи на каждые 100 °С приводит к увеличению температуры корпуса преобразователя АЭ на 1 °С, а при дальнейшем увеличении температуры — на 2 °С. Т. е. при нагреве образцов до 800-1000 °С температура преобразователей не превышает 4550 °С, что приемлемо для их нормальной работы.

Кроме того, при предварительных испытаниях установки без образцов выявлено, что амплитуда импульсов активности АЭ не превышает 3 имп./с., что говорит о малом влиянии собственных аппаратных шумов на общий сигнал АЭ.

В экспериментах использовались образцы известняков: нуммулитового (рудник «Южный», Крым), Тигинского месторождения, травертина (месторождение Дигирез, Казахстан), месторождения Добрятино (Московская область) размерами 20x20x10 мм. Кроме того, для сравнения результатов испытаны также образцы мрамора месторождения Кебик-Кордон таких же размеров, образцы диаметром 36 мм и высотой 12 мм гипсосодержащих мелкозернистых горных пород (Новомосковское месторождение), а также интрузивных (гранит), эффузивных (базальт, обсидиан) пород, агрегатов и минералов (магнезит, роговая обманка, тремолит).

При обосновании методики проведения испытаний особое место уделено выбору оптимальной скорости увеличения температуры образцов. Зависимости ТАЭ от температуры должны отражать характерные особенности породы и не зависеть от условий эксперимента. Чрезмерно большая скорость увеличения температуры вызывает повышенные напряжения в породе, что приводит к появлению АЭ. При слишком большой скорости результаты в меньшей степени определяются характерными особенностями породы и в большей - увеличенной скоростью нагрева; эта составляющая в данном случае является помехой и должна быть уменьшена. Скорость нагревания следует выбирать не слишком большой, чтобы она не вызывала градиентного разрушения. В то же время слишком малая скорость при испытаниях требует

значительных затрат времени. Поэтому необходимо выбрать оптимальное значение скорости нагревания, что в работе произведено с помощью компьютерного и физического экспериментов.

С помощью компьютерного моделирования в среде Comsol Multiphysics рассмотрены изменения термонапряжений, возникающих в образце исследуемой горной породы при различных скоростях возрастания температуры. Рассматривалась двумерная задача, размер образца 20x20 мм, нагрев осуществлялся с четырех сторон. В задаче использовались два физических закона — теплопередачи и механики с соответствующими уравнениями.

Уравнение структурной механики для статического расчета напряжений, осуществляемого в данной задаче, записывается в виде

-V-(cVk) = F,

где с — коэффициент, определяемый упругими свойствами материала; и - перемещения; F— силы. Статический режим выбран здесь потому, что тепловые процессы протекают значительно медленнее, чем механические.

Уравнение теплопроводности, используемое в расчетах, имеет вид

рСр ~~ + V • (— kVT) = Q,

где р - плотность; Ср — теплоемкость при постоянном давлении; Т— абсолютная температура; к — коэффициент теплопроводности, в общем случае тензор, в однородной изотропной среде скаляр; Q — тепло источников или тепло вязкого трения при движении.

Рассматривается однородная изотропная среда без вязкого трения. В качестве граничного принято условие Дирихле, при котором задается температура на границах, в данном случае линейной функцией вида

T(t)=(T -Т )— + Т

V / V max min / mm ,

е

где Тт¡п, Гтах — минимальная и максимальная температуры нагрева образца, 7min = 273,15 К, Т„глх = 1273,15 К; !с - время нагрева, в расчетах принимается ряд значений: 1 мин., 10 мин., 100 мин., 1000 мин.

В расчетах приняты свойства материала, соответствующие обобщенным показателям для известняка: kmat — коэффициент теплопроводности материала, kmai = 2 Вт/(м-К); Cmat — теплоемкость при постоянном давлении, С„ш, = 750 Дж/(кг-К); р „ш, — плотность, р та, = 2600 кг/м3; Ета1 — модуль упругости, Emat ~ 3,5-104 МПа; v та, - коэффициент Пуассона материала, v та, = 0,25; а та, - коэффициент линейного теплового расширения, а та, = 4-10"6 1/К.

При задании режимов расчета в качестве граничных условий задавалось линейное во времени увеличение температуры от минимального до максимального значения. При исследовании поведения модели при различных скоростях нагревания задавались различные значения времени нагрева te, которые приведены выше, а шаг расчета по времени в каждом случае выбирался таким, чтобы на интервале расчета получить 600 значений. Например, при te = 6000 с шаг расчета составил 10 с.

В расчетах был установлен режим линейной модели, что дало сокращение времени расчета. Время расчета одного варианта вне зависимости от заданного времени нагрева te составило около 160 с, количество узлов расчета -2360, степеней свободы - 14500. При этом использовался компьютер с частотой процессора 1,4 ГГц и оперативной памятью 630 МБ. Объем оперативной памяти, используемой непосредственно при решении задачи, около 300 МБ.

На рис. 2 представлена карта изолиний вертикальной составляющей термических напряжений, вызванных соответствующим температурным градиентом. Расчет произведен для очень большой скорости нагрева dT/dt=\00 °С/мин. Такой режим трудно реализовать на практике, однако он позволяет наиболее отчетливо проследить искомые закономерности. Минимальное и максимальное значения напряжений отмечены надписями min и тах соответ-

Рис. 2. Изолинии вертикальной со- рис. 3. Изолинии сдвиговой со-

ставляющей термических нормальных ставляющей термических напряжений в напряжений сгу в Па при скорости уве- Па при дТ/дг =100 "С/мин.

личения температуры °С/мин.

ственно.

Максимальные растягивающие (минимальные по своей величине) вертикальные напряжения находятся в серединах краевых частей слева и справа при у - 0. Они имеют знак минус. Их величина превосходит 6 МПа. Максимальное сжимающее напряжение находится в центре пластины, оно превосходит 2 МПа. Т. е. растягивающие напряжения по абсолютной величине превосходят сжимающие. Горизонтальная составляющая растягивающих напряжений наиболее сильно проявляет себя в центрах верхней и нижней сторон образца при х = 0. Здесь и возможно наиболее вероятное образование трещин и находится начало разрушения образца, вызванного термическими напряжениями.

Местоположение других областей возможного зарождения трещин может быть определено при рассмотрении сдвиговых напряжений оху. На рис. 3 представлены изолинии таких напряжений, рассчитанных для 57/(3? =100 °С/мин. Наибольшая концентрация напряжений наблюдается вблизи центров областей, образующихся разделением образца на четыре равные части. При этом напряжения сдвига доходят почти до 1,5 МПа, что может привести к образованию трещин и началу разрушения образца.

Результаты теоретического расчета максимальных и минимальных (растягивающих) нормальных, а также максимальных сдвиговых напряжений приведены в табл. 1. Отрицательные значения нормальных напряжений соответствуют растяжению.

Таблица 1.

Максимальные нормальные и сдвиговые напряжения при нагревании с раз-

личными скоростями (но результатам компьютерного модели| эования)

Время нагрева до 1000 °С, с Скорость нагрева, °С/мин Нормальные напряжения, МПа Сдвиговые напряжения, МПа

^ у тал тт

60 1000 20,1 -59,2 14,1

600 100 2,13 -6,23 1,49

6000 10 0,214 -0,623 0,149

60000 1 0,0214 -0,0623 0,0149

Определение оптимальной скорости нагревания по лабораторным экспериментам, на основе регистрации данных ААЭ, проведено на образцах известняка месторождений Дигирез и Тигинское. Для примера на рис. 4 представлены графики зависимости ААЭ от температуры месторождения Дигирез. Также, ввиду большого разброса значений ААЭ из-за случайного характера проявления акустической эмиссии и для большей четкости представления, показаны кривые, сглаженные скользящим средним с окном шириной 20 точек.

Рис. 4. Графики зависимостей ААЭ от температуры образца травертина месторождения Дигирез при различных скоростях нагревания: У, = 37 °С/мин.; У2 = 28 "С/мин.; У3 = 10 °С/мнн.; У4 = 3,0 °С/мин.

При температурах 280...400 °С кривые, соответствующие скоростям Ух и У2, проходят значительно выше кривых, соответствующих скоростям У3 и У4. На участке 600...800 °С кривая, соответствующая Уи проходит выше остальных. При этом кривая Ух в начальной части этого диапазона также проходит выше К3 и У4, но затем снижается и идет на уровне У3 и У4. На участке 800...950 °С все кривые хорошо разделяются по уровню: большей скорости нагревания соответствует большее значение ААЭ.

Таким образом, поведение графиков зависимостей ААЭ от температуры на участках 280...400 °С и 600...800 °С говорит в пользу использования скорости нагревания У3 = 10 °С/мин. Меньшее значение скорости нагревания также удовлетворяет заданному условию, но нагревание с такой скоростью требует больших затрат времени на проведение эксперимента.

Таким образом, для значительного диапазона горных пород теоретически и экспериментально обоснована максимально допустимая скорость нагревания, равная 10 °С/мин. При такой скорости нагревания термические напряжения, вызванные градиентом температур, не превосходят предельных значений прочности, а АЭ будет в большей степени определяться составом, строением и свойствами исследуемых образцов горных пород, чем скоростью нагревания.

Тем самым подтверждается первое научное положение.

Третья глава посвящена идентификации горных пород различного минерального состава. Рассматриваются особенности характерного проявления ТАЭ путем сравнения результатов испытания известняков и гипсосодержа-щих пород. Проводится анализ проявления АЭ при нагревании гипса в сравнении с термогравиметрическим (ТГА) и дифференциальным термическим (ДТА) анализами.

Как известно, процессы, связанные с фазовыми превращениями гипса при нагревании, происходят при температурах ниже 220-250 °С.

В нашем случае исследовался не чистый гипс, а гипсосодержащая порода Новомосковского месторождения. Поэтому испытания проводились в более широком диапазоне температур от 20 до 1000 °С со скоростью увеличения температуры ~ 10 °С/мин. Это позволяло регистрировать АЭ, возникающую при нагревании не только в гипсе, но и в других составляющих, содержащихся в горной породе.

На рис. 5 представлены графики зависимостей от температуры печи Тт следующих параметров: температуры образца Тхр, производной 6.Т,р1йТт, ААЭ

Л^ и этой величины, сглаженной с помощью скользящего среднего м{йъ ) .

Особенности поведения ТАЭ могут быть интерпретированы на основании сравнения зависимостей ААЭ от температуры (рис. 5) с результатами традиционных методов анализа состава ТГА- и ДТА-исследований гипсосо-держащей породы, представленными на рис. 6.

Подъём активности АЭ при температурах 50-160 °С связан с удалением свободной воды, находящейся в гипсе. Высокие значения активности АЭ в этом температурном диапазоне связаны с нарушениями структуры породы,

которые производит расширяющаяся в процессе нагревания вода. Между двумя пиками активности АЭ наблюдается минимум. Причиной этого эффекта является фазовый переход воды при ее испарении. В пользу предположения, что наблюдаемая высокая активность АЭ происходит на фоне процесса удаления свободной и физически связанной воды, говорит падение массы об-

Т5ру с ,

имп./с

Т "С

1 о\> ^

Рис. 5. Графики зависимостей ААЭ Л^ и температуры внутри образца Тч, (а), а также производной температуры образца по температуре печи йТ!р/ЛТт, и сглаженной скользящим средним ААЭ (б) в функции от температуры пе-

чи Тш для гипсосодержащей породы Новомосковского месторождения

разца, зарегистрированное на этом участке с помощью ТГА, которое составляет 0,3%.

Далее, в диапазоне температур внутри образца 140-170 °С и более, происходит резкое снижение или даже исчезновение АЭ. Этим значениям температур соответствует резкое уменьшение веса при ТГА от 0,3 до 9,1% и наибольшая разность температур, соответствующая поглощению тепла гипсом при выделении химически связанной воды. Относительное изменение массы на этом участке равно 8,8%, что позволяет сделать вывод о содержании гипса в горной породе около 8,8/21-100% = 42% по массе, где 21% - это относитель-

ное уменьшение массы гипса Са804-2Н20 при удалении двух молекул воды при нагревании.

1200

1000

800

и

о

н

600

400

200

0

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 /, мин

Рис. 6. Графики результатов ТГА и ДТА анализа: изменение массы образца в процессе его нагрева (1) (уменьшение массы дано в процентах от исходной массы образца), производная изменения массы образца по времени (2), график результатов ДТА (3), температура образца (4)

Кривые ДТА и производной ТГА имеют две впадины. Но значения температур, соответствующих этим экстремумам и максимумам ААЭ, не совпадают. Там, где находятся экстремумы ДТА и производной ТГА, ААЭ уменьшается почти до нуля. Причина такого уменьшения АЭ связана с эндотермическими процессами, происходящими на этом участке нагрева. При температурах 7^=140-150 °С начинается реакция образования полугидрата гипса. Поскольку тепловая энергия печи расходуется на химическую реакцию, температура образца существенно отстаёт от увеличивающейся температуры печи, вызывая нелинейное поведение графика Тхр (первая половина зоны Л). После завершения химической реакции за счёт большой разницы температур образца и печи образец быстро нагревается, что соответствует высоким значениям производной 6Т!р/АТт во второй половине зоны А. Далее до конца опыта температура внутри образца и температура печи практически не отличаются друг от друга.

Уменьшение активности АЭ почти до нуля в точке начала химической реакции можно объяснить переходом процесса на масштабы, приближающиеся к молекулярным — спектр сигналов АЭ в этом случае может перейти в

область более высоких частот, выходящих за частотный диапазон использовавшейся регистрирующей аппаратуры.

На отрезке 650-820 °С и более (зона В) проявляется процесс, подобный происходящему в зоне А. В зоне В этот процесс связан с разложением доломита, химическая формула которого Са]^(СОз)2. Производная ТГА в этом месте испытывает несколько резких снижений своих значений. Как следует из графика ¿Тхр1АТт на рис. 5, б, производная от температуры образца Тхр отмечает начало этого процесса небольшим подъёмом своих значений. Подобное поведение отличается от поведения графиков в зоне А, где указанная производная отмечала начало химического процесса резким снижением своих значений. В зоне В также отмечается падение ААЭ, подобное происходившему в зоне А. Таким образом, как в одном, так и в другом случае химические изменения сопровождаются пониженным уровнем ААЭ.

Для сравнения на рис. 7 приведены также результаты испытаний образцов известняка Тигинского месторождения (Краснодарский край).

Тч„ °С А^, имп./с

о 100 200 300 400 500 600 700 800 900

Рис. 7. Графики зависимостей параметров: температуры образца Т!р и активности акустической эмиссии Л^ (а); производной температуры образца по температуре нагревательного элемента АТхр1АТог и усредненной активности акустической эмиссии м(Уг) (б) от температуры нагревательного элемента печи Тт для известняка Тигинского месторождения

Как следует из приведенных результатов, для известняка характерно монотонное изменение графиков зависимости Т!р(Тт) и ее производной, не имеющее каких-либо провалов или выбросов вверх.

Кривая усредненной активности АЭ м{ых) (рис. 7, б) монотонно возрастает до температуры Тт = 750 °С, где наблюдается максимум, после чего происходит снижение значений этой величины. Поскольку в данном случае не наблюдается явно выраженных процессов поглощения тепла, связанных с фазовыми переходами, здесь не наблюдается и значительных снижений ААЭ почти до нуля, которые наблюдались для гипсосодержащей породы.

В диапазоне от 350 до 800 °С температура в образце несколько превышает температуру нагревательного элемента печи. Это говорит о постепенном химическом преобразовании известняка в негашеную известь, сопровождающемся выделением углекислого газа.

Сравнение приведенных на рис. 5 и 7 графиков зависимостей позволяет сделать выводы о том, что для исследованных пород характерны присущие только каждой из них характерные особенности изменения регистрируемых параметров (в данном случае чередование областей максимальных и минимальных значений ААЭ), что позволяет производить идентификацию, т. е. определение принадлежности каждой из них к определенному типу. Тем самым подтверждается второе научное положение.

Данный вывод позволяет создавать различные правила идентификации. Для этой цели может быть использован ряд признаков, характерных для определенных диапазонов температур.

Так, например, в табл. 2 для примера приведены характеристики таких акустоэмиссионных и термических признаков, проявляющих себя при нагревании пород. В таблице представлены 4 идентификационных признака, каждый из которых рассматривается в 5 температурных интервалах.

Таблица 2.

Идентификационные акустоэмиссионные признаки гипсосодержащей породы и известняка

Признак Диапазоны температуры, °С

Гипсосодержащая порода Известняк

I о «Л Г- -н 005 -051 500700 700850 8501000 I о г- — о о о »л 500700 ■ о о о »/-> оо 8501000

Температура образца выше температуры нагревательного элемента печи + + + +

Температура образца ниже температуры нагревательного элемента печи - + - + - - - - - -

Повышенный уровень ААЭ + - + -

Пониженный уровень ААЭ - + - - + - - - - -

Присутствие соответствующего признака отмечено знаком плюс, а отсутствие - знаком минус.

Четвертая глава посвящена приложению полученных выводов к идентификации известняков различных месторождений. Рассмотрены особенности их ТАЭ. Описаны методика и результаты распознавания места происхождения образцов горной породы, а также определены вероятности их правильного распознавания.

Нагревание образцов известняка, как и ранее, проводилось от температуры окружающей среды (20 °С) до 1000 °С за 100 мин., что соответствует скорости около 10 °С/мин.

В качестве примера идентификации горных пород различных месторождений выбраны результаты испытаний по 10 образцов известняков двух месторождений: группа 1 из Тигинского месторождения (Краснодарский край) и группа 2 - нуммулитовый известняк (рудник «Южный», Крым). Примеры полученных зависимостей представлены на рис. 7 и 8.

Л^, имп/с

200

800

400 600

тпп °с

Рис. 8. Графики зависимости от температуры нагревательного элемента печи Т„у параметров: а) температуры образца Т5р и активности акустической эмиссии

Л^; б) производной температуры образца но температуре печи <П]р/с1Тт и усредненной величины активности акустической эмиссии м{1Яг) от температуры печи Т0, для образца №5 известняка нуммулитового (Крым)

Как видно из графиков, для известняков первой группы (рис. 7) характерной является область температур печи в диапазоне 700-800 °С, в которой наблюдается максимум ААЭ, а для второй группы характерны два максимума ААЭ в диапазонах 400-600 °С (высокие значения амплитуды) и 800-900 °С.

Анализ зависимостей температуры образца от температуры печи Тр (тп,) и их производных позволяет выделить несколько участков кривых. В диапазоне температур Tov до 130-150 °С происходит разогрев элементов конструкции печи и значительное «отставание» температуры образца Tsp от температуры нагревательного элемента печи. При температурах 150 - 500 °С происходит уменьшение разницы и выравнивание температур образца и печи. На участке 500-800 °С наблюдается наименьшее различие температур печи и образца, не превышающее 6-8 °С. Однако при температурах более 800 °С наблюдается увеличение указанной разницы, что свидетельствует о поглощении тепла в объеме образцов известняка. Это сопровождается снижением ААЭ при температуре около 900 °С.

Для распознавания типов осадочных горных пород и их принадлежности к конкретному месторождению использовался кластерный анализ с применением метода ближайшего соседа. Для этого вся ось температур от 0 до 1000 °С разбивается на 20 участков по 50 °С.

Среднее значение ААЭ в /-ой температурной полосе рассчитывается по формуле

1 "ж

где Aj, Д - среднее и текущее значения ААЭ в j-ой полосе; «,, nJ+i — номера начального и конечного значений у'-ой полосы в общей выборке. Таким образом, для характеристики каждого образца получаем 20 информативных параметров вместо 6000 отсчетов, регистрируемых в процессе лабораторных испытаний.

Считаем, что после предварительных испытаний имеются выборки (векторы) информативных параметров, характеризующих различные места (месторождения) происхождения образцов пород. Набор таких векторов, относящихся к образцам одного месторождения, образует кластер, центр которого характеризуется вектором усредненных значений

т,

1

вм =

где В] к . у'-ый элемент вектора (номер температурной полосы), характеризующего центр кластера; к — номер класса (месторождения); тк - количество элементов в образцовой выборке, характеризующей центр к-го кластера; —

текущий номер образца в образцовой выборке; - значение информативного параметра, усредненного в /-ой полосе для данного класса к.

Принадлежность образца к тому или иному месторождению определяется по минимуму расстояния от точки, описываемой вектором информативных параметров до центров кластеров, характеризующих то или иное месторождение. Для данного образца

где Я;,4

- расстояние от точки, описываемой вектором информативных параметров образца с номером г, до центра кластера с номером к, р — количество полос, на которые разбивается весь диапазон температур, т. е. количество информативных параметров (в данном случае р=20); у — номер полосы, в которой осуществляется усреднение; усредненное значение у'-го элемента вектора измеряемой величины (в данном случае ААЭ), характеризующего /ый образец. После расчета величины ^¡^ выбирается номер класса к, для которого она минимальна, после чего образец можно отнести к этому классу, в нашем случае — к месторождению.

Пользуясь данной методикой, определяем вероятности правильного распознавания месторождения для нескольких групп известняков, а также для других горных пород и месторождений.

Результаты анализа вероятности правильного распознавания приведены в табл. 3.

Таблица 3.

Оценка вероятности правильного распознавания типов горных пород и их ис-точииков происхождения ___

Месторождение Горная Количество Количество пра- Вероятность пра-

порода испытанных вильно распознан- вильного распо-

образцов ных образцов знавания, %

Рудник «Юж- известняк 11 10 91

ный», Крым

Тигинское известняк 10 10 100

Новомосковское гипс 12 12 100

Дигирез известняк 12 10 83

Добрятино известняк 10 10 100

Кебик-Кордон-1 мрамор 10 9 90

Кебик-Кордон-2 мрамор 10 8 80

Кебик-Кордон-3 мрамор 10 10 100

Кебик-Кордон-4 мрамор 10 10 100

Гранит-1 гранит 10 9 90

Гранит-2 гранит 10 10 100

Гранит-3 гранит 10 10 100

Гранит-4 гранит 10 8 80

По всем - 135 126 93

месторождениям

Усредненная вероятность правильного распознавания по всем исследованным образцам равна 93%, а вероятность ошибки - 7%.

Тем самым подтверждается третье научное положение.

На основе проведенных работ, включающих физические эксперименты на образцах осадочных горных пород, а также компьютерное моделирование, были составлены методические рекомендации по идентификации горных пород на основе их термоакустоэмиссионных испытаний.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Диссертация является научно-квалификационной работой, в которой на основании выполненных автором исследований дано решение актуальной научной задачи разработки акустоэмиссионного метода идентификации осадочных горных пород по параметрам их термоакустической эмиссии, что имеет существенное значение для совершенствования методов исследования горных пород при добыче и переработке минерального сырья.

Основные научные результаты, выводы и рекомендации, полученные лично автором, заключаются в следующем:

1. На основе физических экспериментов и компьютерного моделирования показано, что термоакустоэмиссионные испытания горных пород с целью их идентификации следует осуществлять при постоянной и одинаковой для всех образцов скорости нагревания, максимальное значение которой не должно превышать 10 °С/мин. для исключения помеховых факторов, связанных с появлением акустической эмиссии из-за чрезмерно высокого температурного градиента и недопустимого влияния условий проведения эксперимента на результаты испытаний.

2. Показано, что для каждого типа и месторождения осадочной горной породы характерны свои характерные закономерности проявления термоакустической эмиссии, заключающиеся в чередовании определенных температурных областей, где наблюдаются максимальные и минимальные значения активности акустической эмиссии; идентификация осадочных горных пород может осуществляться по зависимости этой величины от температуры.

3. Экспериментально установлен и теоретически объяснен эффект уменьшения активности акустической эмиссии на границах участков фазовых переходов при термическом воздействии на образцы горных пород.

4. Компьютерное моделирование процессов нагрева образцов горных пород при линейно возрастающей температуре нагревающего элемента позволяет рассчитать величину термических напряжений, вызванных градиентом температуры; показано, что в образцах квадратного сечения наиболее вероятные места образования трещин и источников акустической эмиссии находятся в серединах краевых зон образца (растягивающие напряжения), а также вблизи центров областей, образующихся разделением образца на четыре равные части (сдвиговые напряжения).

5. Экспериментально установлена возможность идентификации минералов и горных пород также по значениям коэффициентов кривых, аппроксимирующих зависимость суммарной акустической эмиссии от температуры,

при этом каждому минералу соответствуют определенные значения указанных коэффициентов.

6. Экспериментальные исследования термоакустической эмиссии гип-сосодержащих пород в сочетании с термогравиметрическим и дифференциальным термическим анализом свидетельствуют о том, что изменение термоакустической эмиссии обусловлено удалением как химически связанной, так и свободной воды. При этом наблюдающиеся в различных температурных диапазонах эндотермические химические процессы преобразования гипса и доломита сопровождаются падением активности акустической эмиссии. Начало этих процессов может быть однозначно определено по моменту аномального уменьшения активности акустической эмиссии.

7. Для сокращения объема данных весь диапазон температур предложено разбивать на участки заданного размера по 50 °С и характеризовать каждый образец 20-ю числами, что достаточно для удовлетворительной идентификации горных пород по параметрам их термоакустической эмиссии.

8. В работе показано, что идентификацию осадочной горной породы по параметрам термоакустической эмиссии в диапазоне температур от 20 до 1000 °С целесообразно осуществлять на основе метода ближайшего соседа, при этом вероятность правильного распознавания не менее 93%.

9. Разработаны «Методические рекомендации по идентификации горных пород на основе термоакустоэмиссионных испытаний», которые переданы в Федеральное государственное унитарное предприятие «Всероссийский научно-исследовательский институт минерального сырья им. Н. М. Федоровского» (ФГУП «ВИМС») и приняты к практическому использованию.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах.

1. Вознесенский А. С., Шкуратник В. Л., Вильямов С. В., Винников В. А. Установка для акустоэмиссионных исследований горных пород при их нагревании // Горный информационно-аналитический бюллетень,- 2007, №12,- С. 143-150.

2. Вознесенский А. С., Набатов В. В., Вильямов С. В. Характерные отличия акустической эмиссии гипсосодержащих пород на различных стадиях нагревания // Сборник трудов XX сессии Российского акустического общества, Т. 1. -М.: ГЕОС, 2008,- С. 290-294.

3. Вильямов С. В., Вознесенский А. С., Набатов В. В., Шкуратник В. Л. О закономерностях и механизмах термоакустической эмиссии гипсосодержащих горных пород // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых,- 2009,- №6,- С. 20-28.

4. Вильямов С. В., Вознесенский А. С., Набатов В. В., Шкуратник В. Л. Термоакустическая эмиссия известняков как инструмент распознавания их принадлежности конкретному месторождению // Горный информационно-аналитический бюллетень.- 2009.- №11.- С. 114-121.

5. Вознесенский А. С., Вильямов С. В. Особенности акустоэмиссион-ных сигналов гипсосодержащих горных пород при нагревании // Горный информационно-аналитический бюллетень,- 2008,- №8.- С. 159-163.

6. Шкуратник В. Л., Вознесенский А. С., Набатов В. В., Вильямов С. В. Об идентификации генотипов горных пород по их акустоэмиссионному отклику на термическое воздействие // Научные труды УкрНДМИ НАН Украины,- 2009,- №5 (часть I).- С. 225-233.

7. Вознесенский А. С., Вильямов С. В., Куткин Я. О. Компьютерное моделирование термонапряжений в геоматериале как источников акустической эмиссии // Горный информационно-аналитический бюллетень,- 2011.- №8,- С. 181-188.

8. Вильямов С. В. Идентификация образцов горных пород различных месторождений по параметрам термоакустической эмиссии // Депонированная рукопись. Изд. «Горная книга». № 843/10-11 от 12 июля 2011 г.- 5 с.

9. Vosnesenskiy A. S., Viljamov S. V. Features of acoustic emission at various influences on rock samples // Proc. of «Acoustics'08», Paris, June 29-July 4, 2008. Paris, 2008,- Pp. 2585-2590.

Подписано в печать 14. 09. 2011 г. Формат 60x90/16

Объем 1 п.л. Тираж 100 экз. Заказ

ОИУП Московского государственного Москва, Ленинский пр-т, 6 горного университета

Текст научной работыДиссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Вильямов, Сергей Владимирович, Москва

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ГОРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

СКк 2.01 1 64323 "

ВИЛЬЯМОВ Сергей Владимирович

РАЗРАБОТКА МЕТОДА ИДЕНТИФИКАЦИИ ОСАДОЧНЫХ ГОРНЫХ ПОРОД ПО ПАРАМЕТРАМ ИХ ТЕРМОАКУСТИЧЕСКОЙ ЭМИССИИ

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Специальность 25.00.16 - «Горнопромышленная и нефтегазопромысловая геология, геофизика, маркшейдерское дело и геометрия недр»

Научный руководитель проф., докт. техн. наук А. С. Вознесенский

Москва 2011

2.4.3 Определение максимальной скорости нагревания по лабораторным экспериментам образцов травертина месторождения Дигирез.........................................................................58

2.4.4 Результаты испытаний образцов известняка месторождения Тигинское.................................................................................................66

2.5 Проверка полученного режима испытаний при идентификации

минералов и горных пород по термоакустической эмиссии..................72

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 2.......................................................................................80

3 ИДЕНТИФИКАЦИЯ ГОРНЫХ ПОРОД РАЗЛИЧНОГО МИНЕРАЛЬНОГО СОСТАВА......................................................................82

3.1 Анализ характерных проявлений АЭ при нагревании гипса.................82

3.1.1 Описание образцов и методики испытаний......................................82

3.1.2 Результаты испытаний образцов гипса при нагревании до 300 °С.............................................................................................................. 82

3.1.3 Акустическая эмиссия при нагревании гипсосодержащией породы до 1000 °С...................................................................................84

3.2 Результаты термогравиметрического и дифференциального термического анализа образцов гипсосодержащих пород......................89

3.3 Сравнение результатов ТГА, ДТА, ТАЭ и интерпретация полученных результатов..............................................................................93

3.4 Акустическая эмиссия при нагревании известняка и сравнение с результатами испытания гипсосодержащих пород..................................95

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 3.......................................................................................99

4. ИДЕНТИФИКАЦИЯ ОСАДОЧНЫХ ГОРНЫХ ПОРОД РАЗЛИЧНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ.....................................................................................101

4.1 Особенности термоакустической эмиссии известняков различных месторождений...........................................................................................101

4.2 Алгоритм и результаты распознавания места происхождения образцов известняка...................................................................................105

эмиссионных исследований последних;

• экспериментальные лабораторные исследования акустической эмиссии в горных породах при их нагревании;

• методы компьютерного моделирования термонапряжений в горной породе как источников акустической эмиссии;

• математические методы и алгоритмы распознавания образов;

• компьютерная обработка, анализ и интерпретация данных термоаку-стоэмиссионных исследований.

Основные научные положения, разработанные лично соискателем.

1. Термоакустоэмиссионные испытания горных пород с целью их идентификации следует осуществлять при постоянной и одинаковой для всех образцов скорости нагревания, максимальное значение которой не должно превышать 10 °С/мин., для исключения помеховых факторов, связанных с появлением акустической эмиссии из-за чрезмерно высокого температурного градиента, и недопустимого влияния условий проведения эксперимента на результаты испытаний.

2. Для каждого типа осадочной горной породы, принадлежащей к конкретному месторождению, присущи свои характерные закономерности проявления термоакустической эмиссии, заключающиеся»в чередовании определенных температурных областей, где наблюдаются максимальные и минимальные значения активности акустической эмиссии; указанные закономерности позволяют решать задачу идентификации осадочных горных пород.

3. Использование для анализа закономерностей термоакустической эмиссии осадочных горных пород методов распознавания образов, реализующих проверку гипотез на основе непараметрической статистики, в частности метода ближайшего соседа, позволяет идентифицировать эти породы с достоверностью не менее 93%.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов-и рекомендаций подтверждаются:

• использованием для проведения лабораторных экспериментов аппаратуры с высокими метрологическими характеристиками и методик измерения, подтвердивших достоверность полученных результатов при ранее проводившихся исследованиях;

• использованием проверенных математических методов статистики и ^ стандартного базового программного обеспечения для обработки экспериментальных данных;

• хорошей воспроизводимостью закономерностей акустической эмиссии, полученных при проведении однотипных измерений на статистически значимом количестве (более 10) образцов пород, взятых с каждого из исследованных месторождений;

• высокой вероятностью правильного распознавания месторождения, к

»

которому относится исследуемый образец осадочной горной породы, составляющей не менее 93 %.

Научная новизна исследований заключается:

• в определении оптимальной скорости нагревания образцов, позволяющей снизить до незначительных величин погрешность, вносимую температурным градиентом;

• в установлении особенностей проявления термоакустической эмиссии в температурных диапазонах 20-1000 °С образцов различных осадочных горных пород, а также пород одной генетической группы (известняков), принадлежащих разным месторождениям;

• в обосновании возможности использования непараметрических методов статистики для распознавания типа горной породы и ее принадлежности к конкретному месторождению.

Научное значение работы состоит в установлении закономерностей акустической эмиссии, возникающей при нагревании образцов конкретных типов осадочных горных пород.

Практическая ценность работы заключается в разработке методических рекомендаций по идентификации горных пород на основе их термоаку-стоэмиссионных испытаний.

Реализация результатов работы. По результатам работы подготовлены «Методические рекомендации по идентификации горных пород на основе их термоакустоэмиссионных испытаний», которые переданы в Федеральное государственное унитарное предприятие «Всероссийский научно-исследовательский институт минерального сырья им. Н. М. Федоровского» (ФГУП «ВИМС») и приняты к практическому использованию.

Апробация работы. Результаты работы докладывались на научных симпозиумах «Неделя горняка» (Москва, МГГУ, 2005-2011 гг.); международном симпозиуме «Асоцзйсб'ОБ» (Париж 2008 г.); научных сессиях Российского акустического общества (2005-2008 гг.); на семинарах кафедры ФТКП (2008-2011 гг.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 работ.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, содержит 15 таблиц, 37 рисунков, список использованных источников из 148 наименований.

1 СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ ИДЕНТИФИКАЦИИ ГОРНЫХ ПОРОД

1.1 Необходимость идентификации минералов и горных пород

Современная динамично развивающаяся горнодобывающая промышленность диктует свои высокотехнологичные требования к методам добычи и обработки полезных ископаемых. Это высокая безопасность работ, максимум добычи при минимальных затратах, высокое качество минерального сырья, соответствующего области его использования. Решение этих задач невозможно без определения структуры, свойств и состояния массивов горных пород.

Знание структуры и состава исследуемых объектов позволяет осуществить их идентификацию, под которой в общем случае подразумевается установление тождества на основе совпадения признаков этих объектов [1]. В горном деле идентификация применяется при анализе минерального состава горных пород для установления принадлежности горных пород к определенным- месторождениям или их участкам, литологическим разновидностям и т.д.

Многообразие генотипов горных пород не позволяет сразу решить вышеуказанные задачи, что на первых этапах исследования обуславливает необходимость рассмотрения определенных типов пород, а может быть даже отдельных их разновидностей.

Как известно, горные породы представляют собой совокупность минералов более или менее постоянного состава. По своему происхождению они делятся на три генетические группы: 1) изверженные (первичные), 2) осадочные (вторичные), 3) метаморфические (видоизмененные). В горном производстве преимущественно разрабатываются седиментогенные месторождения (поверхностные), объем осадочных пород таких месторождений составляет около 70-75 % [2]. Они имеют небольшую глубину залегания или

10

находятся непосредственно на поверхности Земли, что не требует больших затрат при их добыче по сравнению с глубинными (магматогенными) месторождениями.

Многие осадочные горные породы являются полезными ископаемыми. Это руды железа, марганца, алюминия (бокситы), фосфора (фосфориты), стронция, никеля; торф, бурые и каменные угли, графит, горючие сланцы; пески — россыпи золота, платины, олова, титана, алмазов и др. ценных минералов; пески кварцевые, стекольные, формовочные и строительные, глины огнеупорные, кирпичные и бентонитовые, адсорбенты, цементное сырье, гипс, природные соли. Кроме того, осадочные породы вмещают залежи нефти и горючего газа, руды меди, свинца, цинка, ртути, артезианские воды — питьевые, минеральные лечебные, рассолы. Изучение осадочных пород позволяет судить об их устойчивости как оснований для зданий и сооружений. В современных осадках на дне морей и океанов содержатся россыпи ценных минералов, руды марганца, никеля и фосфора, залежи нефти и газа

[3].

Поэтому осадочные породы целесообразно было бы рассмотреть в первую очередь. Но их многообразие заставляет сосредоточить внимание на еще более узкой группе.

Как известно [2 и др.], по способу образования осадочные горные породы подразделяются на три генетические группы: 1) обломочные, 2) глинистые, 3) химико-органогенные. Среди перечисленных групп лидерство по добыче принадлежит химико-органогенным породам. Их классификации приведена в таблице 1.1.

Таблица 1.1- Классификация химико-органогенных пород [2]

Подгруппа Химический состав,% Горная порода Главные породообразующие минералы

Карбонатные Са0+М§0>30 Известняк, мел, мергель, доломит Кальцит, доломит, глинистые минералы

Кремнистые 8Ю2>80 Диатомит, трепел, опока, яшма Халцедон, опал, кварц

Галоидные и сульфатные 804; С1 Гипс, каменная соль, сильвинит Гипс, галит, сильвин

Железистые Ре203+Ре0>20 Бурый железняк Лимонит

Глиноземистые А1203>25 Боксит Оксиды и гидрокси-ды алюминия

Марганцевые МпО>Ю Марганцевые породы Оксиды и гидрокси-ды марганца

Фосфатные Р205>10 Фосфорит Апатит, другие фосфатные минералы

Каустобиолиты С Торф, бурый уголь, каменный уголь, сапропелит, горючий сланец Органическое вещество

Из указанных в таблице горных пород для исследований в данной ра- • боте были выбраны породы карбонатной и сульфатной подгрупп, а именно, известняк и гипс, как находящие наибольшее применение в горной промышленности.

Задача идентификации генотипов горных пород и минералов является

одной из основных, которую приходится решать как при добыче, так и при переработке полезных ископаемых [4, 5]. Необходимость идентификации, в частности, связана' с тем, что для их дальнейшей переработки нужно подобрать соответствующие технологии обогащения, обеспечивающие максимальных выход полезных компонентов. Похожие проблемы возникают также при подборе материала для облицовки зданий, памятников и других объектов декоративного искусства и строительства.

Для идентификации горных пород перспективными являются' методы физического анализа, которые будут рассмотрены далее.

1.2 Аналитические методы исследования минералов*и горных пород

Необходимость исследовать структуру и свойства вещества возникает -в различных областях науки и техники [6, 7, 8]. В горном деле анализ минералов и горных пород осуществляется при исследовании массива горных пород, выбора режимов обогащения и переработки полезных ископаемых.

Методы анализа, используемые в настоящее время для определения состава, базируются на физических и химических явлениях, возникающих при различных воздействиях на горные породы. К ним относятся петрохи-мический [9], спектральный [10, 11], атомно-эмиссионный [12], рентгено-структурный и другие методы.

Среди указанных методов можно особо выделить термические методы анализа, в которых в качестве воздействия на горные породы используется их нагревание. До недавнего времени были известны лишь некоторые классические методы термического анализа, например, дилатометрия, которые использовались в основном в приложении к металлам и минералам [13', 14]. В середине XX в. началось бурное развитие термических методов исследования, превратившихся в самостоятельную область науки, границы которой весьма условны. Появились новые термические методы [15, 16, 17]: динами-

ческая термогравиметрия (ТГА), дифференциальный термический анализ (ДТА) и дифференциальная сканирующая калориметрия (ДСК), а также комбинированные методы. Хотя эти методы и дают большие возможности для получения ценной информации о строении, составе и свойствах твердых тел и жидкостей различной природы, о физических и химических процессах, протекающих в них при нагревании или охлаждении, они весьма трудоемки и затратны.

Основными методами современного термического анализа являются термогравиметрия и дифференциальный термический анализ. Эти и другие методы весьма полезны при исследовании горных пород и минералов [18,

19].

Почти все аналитические методы, позволяющие получать температурные зависимости физических параметров, можно отнести к методам термического анализа [20]. Сюда можно отнести спектроскопию в ультрафиолетовой, видимой и инфракрасной областях спектра, ядерный магнитный резонанс, электронный спиновой резонанс, методы дифракции рентгеновских лучей и электронов и многие другие, которые хорошо описаны в [21, 22, 23, 24].

В таблице 1.2 представлены наиболее известные и применяемые методы термического анализа. Для каждого из них указаны регистрируемый параметр и измерительный прибор.

Таблица 1.2 - Методы термического анализа, используемые при опре-

делении структуры горных пород и минералов

Метод Регистрируемый параметр Используемый измерительный прибор

Термогравиметрический анализ (ТГА) Масса Термовесы

Термогравиметрия по производной (ТГП) с1т йг Термовесы

Дифференциальный термический анализ (ДТА) Т ~Т 5 Г Аппаратура ДТА

Дифференциальная сканирующая калориметрия (ДСК) Тепловой поток йН Ш Калориметр

Обнаружение выделенного газа (ОВГ) Теплопроводность Прибор для измерения теплопроводности

Динамическая спектроскопия отражения (ДСО) Отражательная способность Спектрофотометр

Эманационный термический анализ (ЭТА) Радиоактивность Аппаратура ЭТА

Перечень методов в таблице 1.2, конечно, не является исчерпывающим, поскольку почти любой аналитический метод измерений можно считать методом термического анализа, если измеряемый параметр определяется как функция температуры.

В настоящее время активно развивается метод акустической эмиссии (АЭ), который активно используется для решения различных задач неразру-

15

шающего контроля (НК) [25, 26, 27]. Применение этого метода к горным породам должно развиваться последовательно и систематично и базироваться на существующей геологической классификации горных пород. Подробнее применение этого метода рассмотрено в разделе 1.4.

1.3 Современные методы идентификации

1.3.1 Математические основы идентификации

В различных областях человеческой деятельности (экономике, финансах, медицине, бизнесе, геологии, химии, и др.) повседневно возникает необходимость решения задач анализа, прогноза и диагностики, выявления скрытых зависимостей и поддержки принятия оптимальных решений. Вследствие бурного роста объема информации, развития технологий ее сбора, хранения и организации в базах и хранилищах данных (в том числе интернет-технологий), точные методы анализа информации и моделирования исследуемых объектов зачастую отстают от потребностей реальной жизни. Здесь требуются универсальные и надежные подходы, пригодные для обработки информации из различных областей, в том числе для решения проблем, которые могут возникнуть в ближайшем будущем. В качестве подобного базиса могут быть использованы технологии и подходы математической теории распознавания и классификации [28, 29, 30].

Первые работы в области теории распознавания и классификации по прецедентам появились в 30-х годах прошлого столетия и были связаны с байесовской теорией принятия решений - работы Джона фон Неймана, Итона Шарпа Пирсона [31], применением разделяющи