Проявление зональной дезинтеграции в поле напряжений вокруг подготовительной выработки

УДК 622 И.И. Кайдо

ПРОЯВЛЕНИЕ ЗОНАЛЬНОЙ ДЕЗИНТЕГРАЦИИ В ПОЛЕ НАПРЯЖЕНИЙ ВОКРУГ ПОДГОТОВИТЕЛЬНОЙ ВЫРАБОТКИ

Описаны закономерности проявления зональной дезинтеграции в поле напряжений вокруг подготовительной выработки. Показано, что с учетом формирования фуллерено-подобных кластерных структур можно объяснить резкое изменение значений радиальных и тангенциальных напряжений на поверхности локализации зональной дезинтеграции. Указывается на необходимость совершенствования методов регистрации напряжений в массиве для инструментальной регистрации явления зональной дезинтеграции Ключевые слова: Горная выработка, массив горных пород, зональная дезинтеграция, напряженное состояние.

Согласно теории упругости в массиве горных пород вокруг выработки происходит перераспределение напряжений. Кроме изменения абсолютных величин напряжений в каждой точке массива по сравнению с исходным состоянием существенно изменяется их ориентации вблизи выработки. Траектории главных напряжений в реальном массиве на каждом масштабном структурном уровне представляют собой пер-коляционный кластер передачи сил [1].

Согласно гипотезе, положенной в основу кластерно-перколяционной модели явления зональной дезинтеграции, деформирование массива вокруг выработки в местах максимальной концентрации напряжений приводит к изменению упаковки атомов или ионов и образованию элементов фуллереноподобной оболочки. Их локализация в узкой области концентрации напряжений на линии максимальных главных напряжений, которые имеют сферическую кривизну, создает предпосылку и возможность их объединения в единую фулле-реноподобную оболочку. Эта оболочка поглощает часть наночастиц из вещест-

ва с внешней стороны оболочки, создавая вакансии, служащие зародышами микро и макротрещин в этой зоне. Эти трещины были открыты как явление зональной дезинтеграции [2].

Сферичность фуллереноподобной оболочки и зависимость фундаментальных взаимодействий обратно пропорционально квадрату расстояния позволяет составить заключение, обосновывающее справедливость использования параметра Курлени-Опарина 21/2. Согласно исследованиям Эренфеста П., устойчивость физического мира, т.е. реализации в нем законов фундаментальных взаимодействий, обеспечивается его трехмерностью, в противном случае уравнение Пуассона, которым описываются взаимодействия, не имеет устойчивых решений.

Таким образом, реализация зональной дезинтеграции по масштабному фактору Курлени-Опарина 21/2 возможно только в случае формирования фул-лереноподобных кластерно-

перколяционных оболочек [1,3] .

При проведении подземной выработки в массиве формируется самосогласо-

ванное электромагнитное поле [4, 5], в котором создаются зоны минимума потенциальной энергии. Геометрия этих зон характеризуется следующими параметрами [1].

1) Вокруг полости с близкими размерами по трем осям зоны имеют сферическую форму.

2) Впереди забоя протяженной подготовительной выработки формируются зоны в виде полусферы.

3) В боках протяженной подготовительной выработки формируются зоны в виде цилиндрической поверхности, радиус которой, задается радиусом полусферы впереди забоя.

4) Целочисленность атомарных структур на сферической поверхности с заданной регулярностью реализуется в закономерности г1= г0 21/2.

5) Первая зона радиусом г0 формируется как охватывающая поперечное сечение выработки.

6) Все зоны Г1=Г021/2 минимальной потенциальной энергии в самосогласованном поле формируются последовательно со скоростью распространения электромагнитного поля.

7) Перераспределение напряжений в массиве реализуется как перемещение атомов горных пород скелетной структуры. При попадании их в зоны Г1=Г02/2

минимальной потенциальной энергии самосогласованного поля происходит формирование фуллереноподобных оболочек.

8) Реструктуризация скелета горных пород возле зон Г1=Г02/2 сопровождается дезинтеграцией на микро и макроуровне.

9) Дезинтеграция перед зоной г0 проявляется как сглаживание контура до окружности.

10) Дезинтеграция после зоны г1=г02и2 , />0 локализуется во внешнем прилегающем слое пород и затухает на расстоянии р1=г0 Ф2(~112 .

С учетом представленной выше модели явления зональной дезинтеграции геомеханические процессы вокруг подготовительной подземной выработки и возможность их инструментального исследования представлены следующим образом.

В зависимости от исходного напряженного состояния нетронутого массива он и его прочностного показателя оа, напряжения соответствующего энергии активации реструктуризации скелета горных пород, вокруг выработки будут развиваться следующие геомеханиче-ские процессы.

Если в результате перераспределения напряжений (рис. 1) их максимальные значения не достигают величины оа, то адекватное описание геоме-ханических процессов представляется как обшеприз-нанное в геомеханике, т.е. фронт дезинтеграции (разрушение) постепенно движется от контура вглубь массива.

Рис. 1. Распределение напряжений при средних максимальных напряжениях меньше &а.+

Рис. 2. Распределение напряжений при средних максимальных напряжениях равных оа в первой зоне самосогласованного поля

Рис. 3. Распределение напряжений при средних максимальных напряженияхравных и более оа в первой и второй зоне самосогласованного поля.

Рис. 4. Распределение напряжений при исходных напряжениях он близких оа

А

1 1 1

/О х / X 1 —ч 1 \ 1

А

7 \ ** 1 ' \ \ 1

1 1 1 1 1 1 ' Ок 1 | | — **** \ \ *** 1 1 ч. |\\ Ч. 1 1 \ 1 \\ \ 1 1 \ 1 **.. 1 1 N I |\ 1 1 4

/ 1 сгь* / 1 / 1 ! 1 ! / I I / 1 1 / 1 1 / 1 1 1 1 / 1 1 Г 1 1 .

1 лГ2 Ф 2 ФлГ 2 2лГ 2 3 К

Если в результате перераспределения напряжений (рис. 2) их макси-мальные значения достигают величину оа и локализованы в первой зоне самосогласованного поля, то реализуется зональная дезинтеграция в виде перестройки скелета горных пород. Однако, инструментальные методы геомеханики не позволяют зарегистрировать скачок тангенциальных от и радиальных напряжений, обусловленный формированием фуллерено-подобной структуры. Косвенными методами может быть зарегистрирован рост акустических сигналов. Средние значения напряжений останутся в том же доверительном интервале или в интервале разброса экспериментальных значений.

Если в результате перераспределения напряжений (рис. 3) их максимальные

значения достигают или превышают величину оа и

локализованы в первой и второй зонах самосогласованного поля, то реализуется зональная дезинтеграция в виде перестройки скелета горных пород в обеих зонах.

Если выработка сооружается в массиве, исходное напряженное состояние которого близко к величине оа (рис. 4), то в результате перераспределения напряжений максимальные их значения, очевидно, будут превышать величину оа и локализоваться во всех зонах самосогласованного поля в поле влияния выработки.

1. Кайдо И.И. Кластерная модель явления зональной дезинтеграции массива вокруг подземных выработок. - МГГУ.- ГИАБ.-2009.-№6.

2. Кайдо И.И. О природе явления зональной дезинтеграции горных пород вокруг подземных выработок (гипотеза). МГГУ.- ГИАБ.-2009.- №1.

3. Курленя М. В., Опарин В.Н. Проблемы нелинейной геомеханики. Ч. I // ФТПРПИ. -1999. - № 3.

В этом случае реализуется зональная дезинтеграция в виде перестройки скелета горных пород во всех этих зонах.

На основании рассмотренного выше механизма проявления зональной дезинтеграции в поле напряжений вокруг подземной выработки можно сделать вывод о постановке экспериментов для определения пространственных и временных параметров явления с использованием новых физических методов и приборов, позволяющих измерять напряжения в очень узких зонах в короткие промежутки времени.

---------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

4. Самосогласованное поле.

http://allchem.ru/pages/physic/3476.

5. Зотов А.В., Саранин А.А. Магические кластеры и другие атомные конструкции. Самоорганизация упорядоченных наноструктур на поверхности кремния. HTTP:/WWW.RFBR.RU/ Физика и астрономия (Научно-популярные статьи). Н5ГД=1

— Коротко об авторах ---------------------------------------------

Кайдо И.И. - кандидат технических наук, доцента кафедры ПРПМ, Московский государственный горный университет,

Moscow State Mining University, Russia, ud@msmu.ru