Способ определения разупрочнения нагруженных скальных пород на основе образования и роста микротрещин

системе «крепь - армировка». С этой целью на отметках 2581 и 2733 м были смонтированы мощнейшие рамы, заделанные в крепь ствола на уровне пройденных горизонтов, а между ними была установлена колонна из проводников и

1. Акимов А.Г., Козел А.М. Защита вертикальных стволов шахт от влияния очистных работ. -М.: Недра, 1969. - 129 с.

2. Козел А.М., Борисовец В.А., Репко А.А. Горное давление и способы поддержания вертикальных стволов. - М.: Недра, 1976.- 293 с.

3. Страданченко С.Г., Голодов М.А. Анализ причин нарушения крепи и армировки вертикальных шахтных стволов и возможные методы их предотвращения// Совершенствование проектирования и строительства угольных шахт: Сб. науч. тр. / Шахтинский ин-т. - Новочеркасск: ЮРГТУ, 2001.- С. 164-168.

4. Ягодкин Ф.И., Страданченко С.Г., Прокопов А.Ю. Защита армировки вертикальных стволов от влияния сложных горно-геологических условий// Научно-технические проблемы строительства и охраны горных выработок: Сб. науч. тр. / Но-вочерк. гос. техн. ун - т. Новочеркасск: НГТУ, 1996.

- С. 18 - 24.

5. Страданченко С.Г. Технология армирования вертикальных стволов на участках деформи-

расстрелов, не заделанных в стенки ствола и с зазором от них до 1 м (рис. 3).

Применение указанной конструкции позволило обеспечить высокую надежность и безопасность подъема по стволу, эксплуатируемому в весьма сложных горно-геологических условиях.

---------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

рующегося породного массива. Дисс. ... канд. техн. наук. - Новочеркасск: НГТУ, 1998. - 101 с.

6. Пособие по проектированию и монтажу жесткой армировки вертикальных стволов шахт и рудников. СНиП 11-94-80. - М.: Недра, 1989. - 160 с.

7. Типовые материалы для проектирования 401-011-87-89. Сечения и армировка вертикальных стволов с жесткими проводниками. - Харьков: Южгипрошахт, 1989.

8. Гаркуша Н.Г., Храмов А.А., Кладов В.М. О горизонтальных нагрузках на проводники жестких армировок в искривленных стволах// Исследование, разработка и эксплуатация шахтных стационарных установок.- Донецк: ВНИИГМ им. М.М. Федорова, 1981. - С. 3-8.

9. Методика расчета жестких армировок вертикальных стволов шахт. - Донецк: ВНИИГМ им. М.М. Федорова, 1985.- 160 с.

10. Новик Е.Б., Левит В.В., Илъяшов М.А. Опыт сооружения вертикальных стволов в ЮАР.

- Киев: Техшка, 2004. - 64 с.

— Коротко об авторах

Страданченко С.Г. - доктор технических наук, доцент, зав. кафедрой «Подземное, промышленное, гражданское строительство и строительные материалы», директор Шахтинского института Южно-Российского государственного технического университета.

--------------------------------------- © М.Г. Менжулин, Н.В. Соколова,

А.Н. Шишов, 2005

УДК 622.02:531:538

М.Г. Менжулин, Н.В. Соколова, А.Н. Шишов СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ РАЗУПРОЧНЕНИЯ

НАГРУЖЕННЫХ СКАЛЬНЫХ ПОРОД НА ОСНОВЕ ОБРАЗОВАНИЯ И РОСТА МИКРОТРЕЩИН

Семинар № 3

звестен способ разрушения пород в результате СВЧ-воздействиия на образец, установленный в поле стоячей электромагнитной волны [1], с помощью пресса ИГП-10, осуществляющего нагружение образцов при постоянной скорости деформации. В процессе нагружения самописец регистратора прибора вычерчивает диаграмму сжатия в координатах: усилие Р -абсолютная деформация I. Предел прочности породы определяют по формуле: ст-сж =Р/Рл где Р - нагрузка, соответствующая разрушению; ¥0 -площадь сечения образца. Однако этот способ не позволяет полностью оценить степень разупрочнения скальной породы в процессе нагружения, т.к. не учитывает дефектную структуру породы.

Для оценки прочности скальных пород известен способ определения длительной прочности материала [2]. Этот способ относится к анализу материалов путем определения их физических свойств, к определению механического состояния нагруженных материалов, их долговечности и может использоваться для определения времени до возникновения предразрывно-го состояния в результате накопления трещин в материале. Сущность способа заключается в следующем. Разрушение нагруженных твердых тел (с любым типом межатомной связи, надатомной и дефектной структурой) является термоактивированным процессом, причем время ожидания разрушения при напряжении а и абсолютной температуре Т описывается формулой С.Н. Журкова

I = 10ехр

где 0 время; П0 - энергия активации; Я -универсальная газовая постоянная; Т - абсолютная температура материала, у -структурный коэффициент. Дальнейшие

шаги связаны с исключением из формулы параметра у путем включения величины П0, которую находят из температурной зависимости кратковременной прочности и0 = ЯТ [п^Ло). Однако этот способ не позволяет оценить стадии разупрочнения скальной породы в процессе нагружения с учетом дефектной структуры, т.к. дальнейшие шаги связаны с исключением из формулы параметра у (отражающего состояние дефектной структуры).

Способ определения разупрочнения нагруженных при СВЧ-нагреве скальных горных пород позволяет устранить указанный недостаток, а именно, повысить эффективность разупрочнения скальных горных пород при добыче и переработки минерального сырья при оптимальных режимах электромагнитного нагружения и обусловленного им развития микротрещиноватости.

Технический результат достигается тем, что по способу определения стадии разупрочнения нагруженных горных пород, заключающемуся в определении прочности породы при изменении температуры и построении графика температурной зависимости прочности сначала определяют количество п0 и размер 10 естественных микротрещин в единичном объеме образца породы в заданной точке, после чего облучают образец в поле стоячих электромагнитных волн и определяют в этой же точке температуру нагрева и структуру дефектов, концентрацию П и размер /,, наведенных при нагружении микротрещин в данном интервале температур, строят зависимость концентрации трещин от размера, по которой определяют коэффициент слияния трещин как отношение двух размеров трещин наибольшей концентрации, рассчитывают проч-

ность ст и строят график температурной зависимости а =/(Т), на основании чего выделяют технологические стадии разупрочнения.

Предлагаемый способ определения разупрочнения скальных пород и прочности породы дает информацию о температурной зависимости количества наведенных микротрещин при СВЧ-нагреве, которые могут быть измерены на образцах, помещенных в поле стоячих электромагнитных волн. Ввиду различных свойств минеральных компонентов породы при СВЧ-нагреве наблюдается разница в температурах и коэффициентах термического расширения, возникают существенно различные по параметрам напряженные состояния, что усугубляется наличием структурной неоднородности и естест-венной трещиноватости, приводящим к появлению концентраций напряжений и развитию наведенной микротрещиноватости. В соответствии с кинетической теорией прочности концентрация наведенной трещиноватости приводит к изменению термокинетических параметров и изменению предела прочности породы. Основой научных исследований явились работы ведущих специалистов в области кинетической теории прочности: С.Н. Журкова, М.Г. Менжулина и др.

С учетом трещиноватости прочность скальной породы описывается выражени-

ем кинетическои теории прочности, в основе которой лежит формула С.Н. Журкова (1). Термокинетические параметры в зависимости от концентрации трещин изменяются в соответствии с выражениями: По = и00 (N - щ )3/(N - По )3,

Г = Гоо (N - п, )2 /(N - п0 )2, где П0 ,у - параметры среды при наведенной концентрации трещинп,; П00,у00 - параметры для естественной среды; ^ предельная концентрация микротрещин, обеспечивающая разрушение; ^- щ) - количество микротрещин в единице объема, которые должны быть созданы в процессе воздействия электромагнитного поля для обеспечения разрушения. Тогда прочность скальной породы а с учетом наведенной трещиноватости определяется как О - и00/у00 т - п,)/^ - пв)) X

х[ 1 -ЯТ/иоо((Ы -пот -п1))ъ 1п(т/^)]'

При нагружении скальной породы происходит накопление мелких трещин до их некоторой критической концентрации N = щ в единице объема, после чего начинается их попарное слияние с образованием укрупненных трещин. Предельная концентрация трещин N размера /1 в единице объема определяется как N= 1/к3^3, где к -концентрационный параметр слияния трещин, определяется как отношение двух размеров трещин 12 и 1}, при которых концентрация трещин наибольшая, к = 12/1}. Размеры трещин 12 и находят из графиков распределения трещин для данной температуры СВЧ-нагрева (рис. 1). Тогда прочность породы а равна

* = П00/У00 ((1/( ,2/,1 / [[ - пт)/

/(1/(12/,1 /1- - пв)) X

Х[ 1 -ЯТ/и00(( 1/( ,2/,1)I,3 -п0)/’

/(1/( ,2/,1)1,3 -пт)/1п(т/го)]

где П00 - энергия активации разрушения до нагружения, Дж/моль; у00- активационный объем до нагружения, Дж/моль Па; Я -универсальная постоянная, Дж/моль К; Т -абсолютная температура, К; пт - количество всех трещин при нагружении, ед./м3; п0 - количество всех трещин до нагружения, ед/м3; 11 - длина трещин, при которой наблюдается первый максимум концентрации трещин, м; 12 - длина трещин, при которой наблюдается второй максимум концентрации трещин, м; I, - длина / -ой трещины, соответствующая предельной концентрации трещин, м; т0 - период колебания атомов в кристаллической решетке, сек.; т - долговечность породы, время ожидания разрушения, сек.

Определение прочности скальной породы при СВЧ-нагреве выполнялось с помощью установки частотой 2375 МГц с выходной мощностью 2,0 кВт (рис. 1). В результате СВЧ-воздействия на образец, установленный в поле стоячей волны £ = 45 Вт/см2, обеспечивалась плотность тепловых источников д = 2,5 Вт/см3. СВЧ-электро-магнитная волна вводилась в объем породы, а с противоположной стороны размещался экран так, чтобы вектор напряженности электрического поля был

направлен перпендикулярно к его поверхности.

Объектом исследования явились характерные типы гранитов Ленинградской области: гранит с размером зерен от 0,4 до 4,5 мм. и содержанием минералов в его составе: кварц - 30 %, калиевый

Рис. 2. Распределение трещин по размерам до нагружения и при СВЧ-нагреве. с, МПа

Рис. 1. Блок-схема стенда СВЧ-нагрева

полевой шпат - 50 %, плагиоклаз - 10 % и биотит - 10 %. Образец гранита в виде бруска сечением 90x45 мм2 длиной 200 мм помещался в волноводный тракт. Одна из сторон образца шлифовалась микропорошками К3-10, М-20, а затем полировалась порошками окиси хрома до получения равномерной зеркальной поверхности.

Определение распределения концентрации трещин (п0 и П)) по размерам (10 и I,) осуществлялось с помощью микроскопа “Мир-2“. Для определения кинетики развития трещин при СВЧ-нагреве предварительно определялась естественная трещиноватость образца (при ~20 °С ) в единице объема в заданной точке. График распределения концентрации трещин п0 по размерам 10 в этой точке до нагружения представлен на рис. 2. пунктирной линией. Для возможности сравнивания вероятностей нахождения трещин, соответствующих двум интервалам измерений Д^ и Д12, удобнее находить плотности вероятностей: /= Дп/Д^дп^, и выбор величины Е = /12,, откладываемой по оси ординат, по которой можно судить о том, какая длина трещин вносит основной вклад в разрушение.

После СВЧ-нагружения образца в течении времени t осуществлялось измерение температуры Т образца гранита в той же заданной точке в единице объема с помощью термопары, вводимой в щель волноводного тракта, прорезанной по широкой стенке волновода. Установка нагрева включала никель-хром-никелевую термопару, подсоединенную к измерителю температуры ПСР-1.

Затем под микроскопом определялась в заданной точке и единице объема качественная структура дефектов: межзерновая трещиноватость, формирование субблоков, развитие макротрещин и развитие трещин по зерну.

Далее были выполнены измерения распределения концентрации трещин щ по размерам I, при различных температурах СВЧ-нагрева (рис. 2, где сплошной линией показано распределение концентрации трещин после СВЧ-нагружения, Т = 433 К). Согласно полученным графикам распределения определяется концентрационный параметр слияния трещин, как отношение двух размеров трещин 12 и 1:, при которых концентрация трещин наи-

Рис. 3. Зависимости пределов

прочности гранита от температуры и концентрации микротрещин

большая, к= 12/1:. Предельная концентрация трещин N размера 11 в единице объема определяется как N= 1/к3 /13= 1/

(Ы:)3 113

На основании обработки графиков распределения концентрации наведенных микротрещин по размерам при СВЧ-нагреве определены: концентрационный параметр слияния трещин к(Т) и критическая концентрация разрушения N(7). Прочность а гранита в заданной точке определяется по формуле (3) с учетом параметров трещиноватости.

На основании расчетов строится температурная зависимость прочности а(Т) (рис. 3).

Анализ зависимости предела прочности от температуры СВЧ-нагрева позволяет выделить следующие характерные участки:

1 - при низкотемпературном нагреве до г 370 К наблюдается упрочнения гранита;

2 - снижение прочности гранита в интервале температур от 370 до 500 К происходит за счет зарождения, роста и слияния более мелких трещин и перераспределения их к границам зерен образуя межзерновую микротрещинова-тосЗь- значительное снижение прочности гранита в интервале температур от 500 до 560 К связано с разделением зерен на блоки с малой областью концентрации трещин в результате их слияния;

4 - при температуре 560 К происходит разрушение - раскол образца гранита за счет развития макротрещин в пучностях электрического поля;

Стадии разупрочнения гранита при СВЧ-нагреве

Стадия т, К Сгрукіура дефектов сх СТ раст,МЛа Технология

0 293-370 Частичное закрытие трещин и упрочнение породы 195 30 сушка

1 370-500 Межзерновые трещины 180-110 26-13 дезинтеграция

2 500-560 Формирование субблоков 1 1 0-1 1 2 12-12,4 дробление

3 560-640 Развитие макротрещин 112 12 дробление

4 640 Все виды трещин 112-82 12-7 измельчение

5 - в области температур 560 + 640 К происходит развитие всех видов микротрещин.

Характер разупрочнения и разрушения скальных горных пород определяется температурным режимом, формированием локальных зон нагрева и зон термоупругих напряжений и служит основой для решения различных технологических задач. Эффективность применения СВЧ-энергии определяется способностью породы поглощать электромагнитную энергию. Удельная мощность Руд поглощения, определяется выражением

Руд= 2л/£'tgS\Е\2, где е' - диэлектрическая проницаемость; tg£- тангенс угла

диэлектрических потерь; / - частота; Е -напряженность электрического поля. В условиях квазиадиабатического нагрева повышение температуры в заданной точке породы определяется выражением Т = Руд t / С, где t -время; С - объемная теплоемкость породы. На основании выполненных в работе исследований наведенной трещиноватости, структуры трещин и прочности породы выделены основные стадии электромагнитного разупрочнения (таблица).

Для выделения чистых фракций минералов при селективной дезинтеграции ре-

1. Мисник Ю.М. Основы разупрочнения мерзлых пород СВЧ-полями//-Л., ЛГИ 1982 -с.28-42.

2. Петров В.А., Петров Г.В. Способ определения длительной прочности материал//-Патент №2167404 от 05.05.1999 по м. кл. 00Ш3/00.

комендуется вести обработку при температуре 375-500 К, тогда изменение напряженного состояния способствует образованию межзерновой трещиноватости, что вызывает разупрочнение зерен кварца по их границам и повышает селективность их раскрытия. Экспериментально установлено, что при обработке гранита в режиме первой стадии разделение на чистые фракции размером 1,4 мм составила 98 %. По сравнению с механическим дроблением чистота минеральных фракций составляет 80 % только во фракции размером 0 -0,1 мм.

При разделения минерального сырья на уровне минеральных агрегатов, с целью последующей отсортировки пустой породы, эффективность разупрочнения может быть достигнута в режиме второй стадии, где происходит формирование субблоков. При дроблении породы выбирается режим, соответствующий третьей стадии. Режим четвертой стадии разупрочнения используется в технологическом цикле измельчения.

Результаты используются для практических рекомендаций при выборе режимов СВЧ-электромагнитного воздействия и технологической стадии разупрочнения, соответствующие заданной технологии. -------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

3. Менжулин М.Г. Фазовые переходы на поверхности трещин при разрушении горных пород // ДАН РФ. 1993. №3 Т.328. С.306 -307.

— Коротко об авторок ------------------------------------------------------------------

Менжулин М.Г. - доктор технических наук, профессор кафедры «Безопасность производства и разрушения горных пород»,

Соколова Н.В. - научный сотрудник,

Шишов А.Н. - кандидат технических наук,

Санкт-Петербургского государственного горного института им. Г.В. Плеханова (технического университета).

------------------------------------- ДИССЕРТАЦИИ

ТЕКУЩАЯ ИНФОРМАЦИЯ О ЗАЩИТАХ ДИССЕРТАЦИЙ ПО ГОРНОМУ ДЕЛУ И СМЕЖНЫМ ВОПРОСАМ

Автор Название работы Специальность Ученая степень

УФИМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НЕФТЯНОЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

САНДАКОВ Виктор Александрович Оценка склонности к замедленному разрушению объектов систем газораспределения 05.26.03 к.т.н

НАВОИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ГОРНЫЙ ИНСТИТУТ

НАИМОВА Раъно Шукуровиа Разработка технологии формирования высоких одноярусных отвалов при переменной несущей способности основания 05.15.03 к.т.н

ФЕДЯНИН Обоснование рациональных параметров 05.15.03 к.т.н

Алексей бортов глубокого карьера на основе геофи-

Сергеевич зических методов исследовании