Исследование процессов трещинообразования в скальных породах под действием электромагнитных полей

СЕМИНАР 6

ДОКЛАД НА СИМПОЗИУМЕ «НЕДЕЛЯ ГОРНЯКА - 98» МОСКВА, МГГУ, 2.02.98 - 6.02.98_________

М.Г. Менжулин, Н.В. Соколова, А.Н. Шишов, В.А. Хоминский

Санкт-Петербургский государственный горный институт

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ТРЕЩИНООБРАЗОВАНИЯ В СКАЛЬНЫХ ПОРОДАХ ПОД ДЕЙСТВИЕМ

ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ

Рассматриваются результаты полевых экспериментальных исследований процессов трещино-образования и разрушения скальных пород под воздействием высокочастотных электрических нагрузок, создаваемых системой электродов различной конфигурации. С привлечением лабораторных результатов измерения микротрещиноватости выколотых фрагментов и прямых измерений остаточных температур получены общие закономерности развития зон трещиноватости и разрушения на различных расстояниях от электродов и формирования магистральных трещин. Выделены основные типы магистральных трещин и предложена модель объёмного термоклина для описания процессов их формирования.

Экспериментальные исследования возможностей ВЧ-контакт-ного способа по разрушению массива крепких горных пород для последующего его применения при отбойке и направленном расколе блоков проводились совместно ИГД им. А.А. Скочинского и кафедрой РГП СПбГГИ. Задачи проводимого эксперимента состояли в изучении каччественной картины локального разрушения крепких горных пород в окрестности электродов и качественной картины разрушения массива макротрещинами при различных схемах ввода энергии ВЧ-контактным способом. Основное внимание было уделено простейшим схемам отбойки с применением цилиндрических стержневых электродов различного диаметра, размещаемых в шпурах. Кроме того, были рассмотрены вопросы отбойки и раскола блоков с помощью многоэлектродных ВЧ-

систем, осуществляющих нагрев породы со свободной поверхности без бурения шпуров.

Визуальное исследование качественной картины локального разрушения крепких горных пород в окрестности электородов дополнялось измерениями микротрещиноватости образцов, взятых из различных точек зоны разрушения, и измерениями распределения температуры породы после окончания напгрева и расчленения фрагментов породы. Качественный характер макроразрушения массива изучался визуально по динамике развития и геометрии расположения макротрещин и дополнялся разборкой разрушенной горной массы с фиксацией хода основных трещин и обмером образовавшихся фрагментов. Полученные данные использовались при анализе качественной картины и механизмов разрушения породы под воздействием ВЧ-электрического поля.

Исследования проводились с использованием специализированного ВЧ генератора, имеющего колебательную мощность 60 кВт и частоту генерации 5.28 МГц, созданного ИГД им. А.А. Скочинского совместно с НИИ ТВЧ с учетом специфики электрофизического разрушения горных пород. Эксперименты проводились в Выборгском районе Ленинградской области на скальном массиве полуострова Бычья голова, сложенном гранитами рапакиви.

При разрушении горных пород стержневыми электродами они размещались в шпурах диаметром от 16 до 42 мм и длиной от 20 до 250 мм и опускались на дно шпура. С целью уменьшения потерь при вводе энергии в породу, величина технологического зазора между

Рис. 1. Зоны разрушения в окрестности дна шпура

между электродом и стенкой шпура не превышало 3 мм, а длина электрода выбиралась близкой к длине шпура. Во всех проведенных опытах качественная картина разрушения породы в непосредственной близости от стержневого электрода сохранялась и не зависела от вариации геометрических параметров электродов и шпуров.

Схема расположения выявленных зон разрушения приведена на рис. 1. В окрестности контакта электрода с дном шпура располагается зона «1» расплава темноцветных минералов. Обычно расплав почти полностью покрывает дно шпура и занимает также некоторый объем под дном шпура каплевидной формы. Иногда расплав образует спекшиеся тела причудливой формы с вкраплениями других нерасплавленных минералов. Эти тела в длину могут достигать 80 см. К зоне плавления примыкает зона сплошного разрушения породы «2» . Порода состоит из зерен с характерным размером 1 г 2 мм. Сцепления между зернами практически нет. Ширина этой зоны составляет 10 г 30 мм. К этой зоне примыкает зона раздробленной породы «3» шириной 10 г 20 мм. Характерный размер зерен составляет 3 г 5 мм.

164

1

За пределами этой зоны располагается зона разрушения породы магистральными макротрещинами «4».

В зоне «4» можно выделить область, в которой высока концентрация микротрещин с характерным размером 1хр < 1 мм. Эта область простирается до расстояний 80 г 10 мм. За ее пределами концентрация мелких трещин резко падает, а концентрация крупных трещин 1тр > 1 мм растет. Характерный график распределения микротрещиноватости в зависимости от расстояния до электрода, построенный по результатам подсчета количества микротрещин на образцах из зоны разрушения, представлен на рис. 2 . Характер разрушения породы вблизи дна шпуров в зонах «1» г «3» и микротрещиноватости в зоне «4» одинаков во всех экспериментально исследованных случаях применения стержневых электродов. Характер разрушение породы макротрещинами, наблюдаемый в зоне «4», существенно зависит от размеров и формы породного блока, количенства и расположения электродов относительно свободных поверхностей блока и друг друга.

Рис. 2. Распределение количества микротрещин в зависимости от расстояния до электрода 1.- 1тр< 1 мм; 2.- 1тр> 1 мм

Наиболее ярко характерные особенности расположения макротрещин проявились при разрушении уступа системы ВЧ электродов, расположенных по линии, параллельной кромке уступа, рис. 3,4. Можно выделить следующие основные типы макротрещин: а -вертикально-магистральная трещина, проходящая через все шпу-

(*г

Рис. 3. Разрушение уступа системой стержневых электродов

ры и выходящая за участком шпуров на вертикальную стенку уступа; б - горизонтальная трещина подсечки, проходящая по дну каждого из шпуров перпендикулярно магистральной трещине а до стенки уступа и выходящая за участком шпуров на дневную поверхность, точнее на кромку уступа в той же точке, что и магистральная трещина а; в - закольная трещина, проходящая через дно шпуров и выходящая на дневную поверхность; г - закольная трещина, пересекающая дно шпуров и выходящая на стенку уступа; д - вертикальная поперечная трещина, проходящая через ось шпура перпендикулярно вертикальной магистральной трещине а и трещине подсечки. Обе закольные трещины в и г весьма схожи между собой, имеют средний наклон ~ 45О , но сильно изогнуты как у свободной поверхности, так и у дна шпуров.

Рис. 4. Схема расположения основных типов макротрещин:

а - вертикальная магистральная трещина; б - горизонтальная подсечки; в - закольная на дневную поверхность; г - закольная на стенку уступа; д -вертикальная поперечная трещина.

Важной особенностью разрушения, отмеченной во всех проведенных экспериментах, является ветвление макротрещин, в результате чего на некоторых участках наблюдается не одна, а семейство

трещин, практически параллельных между собой. Особенно это характерно для закольных трещин типа в и г. Отметим также, что во всезх проведенных экспериментах не наблюдалось «стреляния» породы, т.е. образования в процессе разрушения частиц, обладающих заметной кинетической энергией, а также практическое отсутствие взаимного смещения фрагментов породы. Это свидетельствует о расходовании поступающей в породу энергии лишь на трещинооб-разование и нагрев.

Подробный анализ характера разрушения горной породы под воздействием ВЧ-электрического поля, создаваемого системой электродов, возможен с привлечением результатов численного расчета электрических, тепловых полей, полей термоупругих напряжений и полей наведённой трещиноватости. Трудоемкость таких расчетов приводит к необходимости построения приближенных физических моделей для объяснения основных закономерностей разрушения пород с целью построения и отбора технологически перспективных вариантов состава и размещения системы электродов, их экспериментального исследования и теоретического расчета.

При нагревании породы расположенными в шпурах стержневыми электродами максимальные температуры, обеспечивающие плавление темно-цветных минералов, достигают значений Т= 1450-1530 °К и локализуются в донной части шпура. Разрушение породы в таких условиях происходит практически мгновенно при небольших значениях как сжимающих, так и растягивающих напряжений, что следует из формулы С.Н. Журкова для долговечности разрушения [1,2]. Анализ распределения уровня микротрещиноватости в образцах породы, подвергшихся нагреву в зависимости от расстояния, показывает, что роль механизма разрушения ростом концентрации миктотрешин уменьшается очень быстро с удалением от шпура.

Следовательно, для разрушения породы в этих зонах необходимы более высокие нагрузки.

Выполненнные прямые измерения распределения температуры п.4.4. показывают, что с удалением от электрода температура спадает очень быстро. Как следует из решения модельных задач теории термоупругости, выполненных Л.Э. Рикенглазом, при нагревании породы ВЧ-электрическим полем в окрестности шпура порода находится в сжатом состоянии. Возможности ее расширения в объем шпура ограничены, хотя судя по полученным данным, порода из зоны сплошного разрушения с фазовыми переходами испытывает разгрузку на объем шпура. Если предлоложить, что такая разгрузка в этой зоне имеет место, приводя к появлению локальных растягивающих напряжений, образовавшиеся трещины не могут прорасти в зону сжатия под действием механизма роста концентрации на-

164

пряжений в вершинах трещин, что и было показано в [3]. Таким образом объективно отсутствуют причины по которым могло бы происходить прорастание трещин из непосредственной окрестности дна шпура к периферии.

Остающаяся возможность прорастания магистральных трещин от периферии к центру нагретой зоны, наблюдающаяся в экспериментах, может быть описана с позиций объемного термоклина.

Рассмотрим нагревание кубического блока породы стержневым электродом, расположенном в его центре рис. 5.а. Как уже отмечалось выше, максимальная температура реализуются в окрестности дна шпура, спадая к периферии блока. Нагретая порода, находясь в сжатом состоянии стремится к расширению. Свободному расширению центральной нагретой области препятствует внешний слой, имеюший меньшие температуры и находящийся в соответствии с условиями равновесия в растянутом состоянии, причем максимальные растягивающие напряжения находятся на поверхности блока. Очевидно, что при определенном соотношении параметров значения растягивающих напряжений могут превысить предел прочности на растяжение и с поверхности внутрь блока начнет расти некоторая трещина. Под воздействием механизма разрушения ростом концентрации напряжений в вершине, трещина беспрепятственно прорастает до поверхности перемены знака напряжений. Но при прорастании такой трещины происходит перераспределение на-

пряжений в блоке, вследствие разгрузки на эту образовавшуюся трещину. Поверхность перемены знака напряжений при этом будет смещаться внутрь блока, в итоге трещина получит возможность прорастать дальше, вплоть до центральной области, разрушенной механизмом роста концентрации микротрещин под воздействием высоких температур. Причем перераспределение напряжений может привести и к активизации разрушения ростом концентрации микротрещин.

Таким образом, в породе можно выделить область, для определенности, например, по поверхности перемены знака напряжений или по какой-либо изоповерхности максимальных главных напряжении, которая в данном блоке породы работает как объемный распирающий внешнюю часть блока клин. Его форма и расположение относительно свободных поверхностей будет определять характер последующего разрушения блока. В рассматриваемом случае кубического блока, вследствие симметрии, мальные растягивающие напряжения реализуются на гранях блока в точках наиболее близких к его центру, и раскол блока, следовательно, должен произойти по трем взаимно перпендикулярным плоскостям, проходящим через центр блока и параллельно его граням. Этот результат и наблюдался в эксперименте. Отличие, заключающееся в прохождении горизонтальной трещины подсечки б ниже дна шпура, связано со смещением центра нагрева при образовании протяжённого тела расплава под дном шпура. Наблюдавшийся в эксперименте выкол "четверти" верхней части блока без раскалывания его на 4 части объясняется небольшим смещением шпура к одному из углов блока. Таким образом, раскалывающие блок трещины типов "а", "б", "д" являются трещинами растяжения и прорастают от периферии к центру блока.

При нагреве породного полупространства с поверхности с по-

ГИАБ 3

мощью многоэлектродной системы рис.5.б., максимальные температуры реализуются на поверхности (если пренебречь теплообменом и смещением центра нагрева по оси расплава). Породная среда примыкающей к электродному блоку области, имея возможность расширяться вверх, ограничена в своем расширении вдоль свободной поверхности, что приводит к формированию поля сдвиговых напряжений, и, в итоге, к прорастанию кольцевой закольной трещины типа в, имеющей сдвиговую природу.

При нагреве породного полупространства с помощью заглубленного электрода, сдвиговый характер кольцевой закольной трещины сохранятся, хотя в качестве активного объема термоклина выступает уже само внешнее по отношению к выкалываемой линзе полупространство ( рис. 5.в.), а поле напряжений имеет более сложный вид. Большое заглубление электрода приводит к уменьшению градиента температур в объеме породы и к соответствующему снижению величины) сдвиговых напряжении в зоне возможного откола, в том числе, до значений ниже предела прочности на сдвиг.

С этих позиций находят свое объяснение причины успешного раскалывания "тонкого» блока, и неудача при попытке раскалывания «толстого" блока. В случае "тонкого" блока рис. 5.д. расстояние от оси объемного термо-

клина, проходящей через дно шпуров, до верхней и нижний свободных поверхностей, а также до торцевой поверхности было небольшим. Градиент температуры в этих направлениях был достаточным для обеспечения уровня растягивающих напряжений на этих поверхностях, превышающего предел прочности. Для "толстого" блока рис. 5.е. такие условия были реализованы только для торцевых и дневной поверхностей блока, что привело к частичному развитию магистральной трещины.

По-видимому, для стержневых электродов с рассмотренными параметрами нагрева расстояние от оси термоклина до свободной поверхности га* и 30 см является предельным для развития магистральных трещин растяжения и при больших значениях этого расстояние га > га* с точки зрения развития магистральных трещин среда является бесконечно протяженной. Для электродного блока, обеспечивающего пятно нагрева большего размера и, следовательно, большего размера термоклин, предельное расстояние га* также больше, что подтверждается результатами опытов.

Рассмотренный выше (рис.3.,4.) вариант разрушения уступа представляет собой комбинацию двух механизмов разрушения трещинами отрыва и сдвиговыми трещинами. Модель объемного термоклина, рис. 5.г. и в этом случае показывает направления распро-

странения макротрещин, но очевидно, что в более сложных случаях желательна теоретическая оценка полей термоупругих напряжений, которая может быть проведена с помощью численных методов.

Анализ результатов с позиций термокинетики развития трещино-образования, разрушения и разупрочнения позволил найти объяснение выявленным экспериментально особенностям и предложить модель, позволяющую прогнозировать характер разрушения породы при различных конфигурациях ВЧ-электрических нагрузок.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Регель В.Р., Слуцкер А.Н., То-машевский Э.Е. Кинетическая природа прочности твердых тел. -М.: Наука, 1974.-560 с.

2. Журков С.Н., Куксенко В.С., Петров В.А. О прогнозировании разрушения горных пород.// Изв. АН СССР Физика Земли. -1977. -№6.- С. 11-18.

3. Менжулин М.Г., Шишов А.Н., Серышев С.В. Термокинетическая модель разрушения горных пород и особенности ее численной реализации. / Физика и механика разрушения горных пород применительно к прогнозу динамических явлений./СПб.: ВНИМИ, 1995.-с.59-65.

© М

.Г. Менжулин, Н.В. Соколова, А.Н. Шишов, В.А. Хоминский