Оценка условий образования и размеров микрочастиц при разрушающих воздействиях на образцы горных пород

УДК 539.3

ОЦЕНКА УСЛОВИЙ ОБРАЗОВАНИЯ И РАЗМЕРОВ МИКРОЧАСТИЦ ПРИ РАЗРУШАЮЩИХ ВОЗДЕЙСТВИЯХ НА ОБРАЗЦЫ ГОРНЫХ ПОРОД

© С.Д. Викторов, А.Н. Кочанов

Ключевые слова: микрочастица; разрушение; эксперимент; лазерная спектрометрия; горная порода; сжатие. Рассмотрены условия образования микрочастиц при деформировании и разрушении образцов горных пород. Выполнены экспериментальные оценки распределения микрочастиц по размерам с помощью лазерной спектрометрии.

Разрушение материалов и горных пород является научной проблемой, актуальность решения которой остается неизменной вплоть до настоящего времени. Этот процесс характеризуется развитием трещин с последующей фрагментацией материала и, как правило, всегда сопровождается появлением частиц малых размеров, образование которых можно объяснить как с позиций явлений, наблюдаемых в кончиках трещин, так и за счет неровностей поверхности материалов. При деформировании происходит проскальзывание шероховатых берегов трещины относительно друг друга, разрушение неровностей и образование частиц.

С помощью разработанной оригинальной методики и метода лазерной спектрометрии сотрудниками РНЦ «Курчатовский центр» получены данные по выходу микро- и субмикронных частиц при разрыве стальных стержней при испытаниях на растяжение [1]. Они свидетельствуют о том, что при разрыве стержней с образованием новых поверхностей наблюдается выход частиц в диапазоне 0,1-2,0 мкм, количественное распределение которых зависит от физико-механических свойств исходного материала. Следует также отметить, что явление эмиссии субмикронных частиц экспериментально установлено при квазистатическом деформировании образцов горных пород со сквозным отверстием в условиях одноосного сжатия [2]. В работе [3] для условий динамического воздействия при прохождении волн высокой интенсивности и моделировании условий на границе заряд-порода с помощью электронной микроскопии и лазерной спектрометрии частиц получено их распределение в диапазоне размеров 0,1-10,0 мкм. Для большинства прочных горных пород в изучаемом диапазоне преобладают по количеству частицы размером порядка 1,0-5,0 мкм. Содержание субмикронных частиц размером порядка 0,1 мкм до 10-20 % от их общего количества характерно для кварцсодержащих пород яшмы и гранита [3].

При проведении исследований по оценке дисперсного состава микрочастиц при разрушении образцов горных пород в условиях одноосного сжатия за основу была принята методика лабораторных экспериментов работы [2]. Отличие заключалось в использовании камеры, имеющей резиновую основу со специальными стальными прокладками, которые позволяли воспринимать нагрузку пресса и сохранять герметичность

камеры вплоть до разрушения образца. Камера имела один вход, к которому с помощью гибкого шланга подсоединялся специальный воздушный фильтр, не пропускающий из атмосферы частицы размером более 0,1 мкм. На выходе к камере с помощью второго гибкого шланга подсоединялся ручной лазерный счетчик частиц, например, HAND HELD-3016, предназначенный для измерения числа микрочастиц, содержащихся в объеме воздуха прокаченного через измерительную систему. Действие прибора основано на анализе и подсчете световых импульсов, рассеянных отдельными частицами при их прохождении через лазерный луч.

В камеру помещался образец горной породы с характерным размером 4-5 см и осуществлялось его нагружение вплоть до разрушения. Количество микрочастиц фиксировалось через определенный заданный временной интервал, как правило, через 10-20 с вплоть до разрушения образца.

На рис. 1 в качестве примера для образца доломита представлены данные по количеству частиц в различных диапазонах с течением времени с момента нагружения образца. Изначально высокое содержание частиц размером порядка 0,3 мкм свидетельствует о том, что обеспечить полную герметичность камеры не удалось, а также о наличие изначально частиц в ее объеме. По мере нагружения происходит уменьшение количества субмикронных частиц вплоть до момента локального поверхностного скола, который фиксируют по характерному звуковому проявлению, и приводит к росту количества частиц во всех размерных диапазонах. Затем в момент полного разрушения образца наблюдается резкий рост микрочастиц размером 2,05,0 мкм, в то время как число частиц размером менее 1 мкм увеличивается не столь значительно. Результаты экспериментов в виде количества частиц для диапазонов менее и более 1,0 мкм к общему их количеству для трех типов горных пород представлены на рис. 2. Как следует из рис. 2, для прочных горных пород преобладают частицы микронных размеров. Разрушение образцов мрамора при квазистатическом сжатии носило объемный взрывообразный характер. Если сопоставить данные для мрамора по дисперсному составу частиц при взрывном воздействии [3], то в этом случае на минеральные частицы размером менее 1,0 мкм приходит-

1683

ся примерно 10 % от общего их количества, в то время как при разрушении при одноосном сжатии - 35 %.

30000

25000

20000

15000

10000

5000

0

j

5

н

и

со

У

о

ш

н

и

ф

У

S

о

200п 400

Время, с

600

Рис. 1. Дисперсный состав частиц в момент разрушения образца доломита

100,0

80,0

SO О4'

&

& 40,0 ч

и 20,0

0,0

0,3-1,0 —мкм

мрамор доломит уголь

Рис. 2. Распределение минеральных частиц по размерам после разрушения образцов горных пород

Для подтверждения факта, что развитие трещин сопровождается образованием микрочастиц и при динамическом воздействии, был выполнен анализ изображений микротрещины, полученных с помощью электронной микроскопии. На рис. 3а представлен в общий вид трещины, образованной в результате взрыва взрыве в образце гранита. Более детальное увеличение на рис. 3б позволяет отметить сложную структуру трещины, наличие в ее полости частиц размером от 0,60,8 мкм, которые могли образоваться при ее формировании.

Таким образом, образование микрочастиц при разрушающих воздействиях на горные породы является следствием роста трещин и образования новых поверхностей. Количественное распределение частиц по размерам определяется минеральным составом и структурными особенностями и характеризуется для большинства горных пород повышенным выходом по количеству частиц размером 1,0-5,0 мкм по сравнению с частицами размером 0,1-1,0 мкм. Данное распределение может быть объяснено с позиций увеличения прочности с уменьшением размеров частиц, также источником частиц может быть контактная область между минералами, как правило, протяженностью несколько микрон. Регистрация микрочастиц в режиме реаль-

ного времени дает информацию о кинетике и характере развития процесса разрушения и может быть полезна для изучения его механизма.

t Щ л Ig

.JR

T v Ш .

& • Й

4*-- Ш ~ <1 j/ : > ,, W / .ф « . W- ‘ * •

X95" 2 00 Mm

а)

б)

Рис. 3. Электронно-микроскопический снимок трещины в образце гранита при увеличении х95

ЛИТЕРАТУРА

1. Александров П.А., Калечиц В.И., Хозяшева Е.С., Чечуев П.В. Исследование генерации микрочастиц, образующихся при разрыве металла // Проблемы машиностроения и надежности машин. 2003. № 5. С. 95-98.

2. Викторов С.Д., Кочанов А.Н., Осокин А.А. Эмиссия микрочастиц при деформировании и разрушении образцов горных пород в условиях одноосного сжатия // Вестник Тамбовского университета. Серия Естественные и технические науки. Тамбов, 2010. Т. 15. Вып. 3. С. 1163-1164.

3. Викторов С.Д., Кочанов А.Н. Дезинтеграция образцов горных пород в условиях высокого импульсного давления // Изв. РАН. Серия физическая. 2013. Т. 77 № 3. С. 332-334.

БЛАГОДАРНОСТИ: Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (грант № 11-05-00528а).

Поступила в редакцию 10 апреля 2013 г.

Viktorov S.D., Kochanov A.N. EVALUATION OF CONDITIONS OF FORMATION AND SIZE OF MICROPARTICLES WITH DEVASTATING IMPACTS ON ROCK SAMPLES

The conditions for education of micro-particles under deformation and fracture of rock samples are considered. The experimental estimates of the distribution of particles by size with the help of the laser spectrometry are conducted.

Key words: microparticle; destruction; experiment; laser spectrometry; rock; compression.

0

1684