Закономерности эмиссии субмикронных частиц при воздействии ударных нагрузок на горные породы

© С.Д. Викторов, А.Н. Кочанов, А.А. Осокин, 2012

УДК 622.83: 539.3

С.Д. Викторов, А.Н. Кочанов, А.А. Осокин

ЗАКОНОМЕРНОСТИ ЭМИССИИ СУБМИКРОННЫХ ЧАСТИЦ ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ УДАРНЫ1ХНАГРУЗОК НА ГОРНЫЕ ПОРОДЫ *

Приведены результаты экспериментов по ударному воздействию на образцы горных пород, имеющих концентратор напряжений в виде сквозного отверстия, с одновременной регистрацией образующихся минеральных частиц с помощью лазерной спектрометрии. Экспериментально установлено явление эмиссии микрочастиц при ударном воздействии. Получены оценки дисперсного состава микрочастиц в диапазоне размеров 0,3-5,0 мкм в зависимости от числа циклов нагружения и энергии удара.

Ключевые слова: ударное воздействие, горные породы, образец, эксперимент, микрочастица, эмиссия, структура.

Добыча полезных ископаемых связана с образованием минеральных частиц, в том числе субмикронных с характерным размером менее 1-10 мкм, появление которых при разрушении горных пород рассматривается как экологически негативный фактор горного производства[1]. Однако в определенных условиях этот фактор может быть использован в позитивном аспекте, например, для контроля механического состояния массивов горных пород или изучения закономерностей протекания процессов деформирования и разрушения при различных видах внешних воздействий.

В ранее проведенных нами исследованиях экспериментально было установлено явление эмиссии микро- и наноразмерных минеральных частиц с поверхности образцов геоматериалов при их одноосном сжатии [2, 3]. В рамках методики проведения этих экспериментов в центре образцов создавали сквозную цилиндрическую полость и подвергали их одноосному ступенчатому сжатию вплоть до разрушения.

Известно, что характер разрушения материалов и конструкций существенно различается в зависимости от того, как

*Работа выполнена при поддержке РФФИ (Проект 11-05-00528-а). осуществляется нагружение - медленно или быстро. Особенно отчетливо это проявляется, когда нагружение носит ударно-волновой характер и разрушение происходит при взаимодействии волн напряжений. Исследования процессов разрушения материалов при действии импульсных ударных нагрузок представляют большой интерес для прикладных задач. Такие эксперименты значительно расширяют возможности фундаментальных исследований в области физики прочности и механики разрушения горных пород. Развитие новых технологий с применением взрыва также связано с результатами экспериментов по ударно-волновому воздействию на горные породы.

С целью изучения возможности образования микрочастиц при ударном воздействии с поверхности образцов горных пород были проведены лабораторные исследования, за основу которых принята экспериментальная методика работ [2-3]. В образцах горных пород размером 4х4х4 см, также как и при статическом нагружении, высверливалось сквозное отверстие диаметром 6 мм, т.е. создавались свободная поверхность и измерительный объем. С помощью гибкого шланга один конец выходного отверстия присоединялся к специальному воздушному фильтру, отсекающего проникновение в измерительный объем (в полость отверстия) частиц размером более 0,1 мкм, а другой выходной конец присоединялся к входу счетчика аэрозольных частиц, позволяющего определять количество минеральных частиц в диапазоне 0,3-5,0 мкм. Отличие заключалось в том, что при проведении экспериментов образцы горных пород подвергались не квазистатическому нагружению на прессе, а ударному воздействию: с заданной высоты сбрасывались стальные шары. Эталонная величина Ео для фиксированной высоты сбрасования и массы шара составляла примерно 0,1 Дж. Изменение высоты сбрасывания и массы шара позволяло изменять условия динамического нагружения образцов горных пород.

По результатам измерений установлено, что при ударном воздействии наблюдается образование микрочастиц со свободной поверхности образцов горных пород. Получены распределения частиц в различных диапазонах размеров в зависимости от энергии удара и числа циклов нагружения. Результаты проведенных исследований демонстрируют сложный вероятностный характер динамики образования микрочастиц при ударно-волновом воздействии.

В качестве иллюстрации этого положения приведены экспериментальные данные для образцов гранита и змеевика (рис. 1, 2). На рис. 3 представлены данные по общему количеству микрочастиц после 25 циклов нагружения в зависимости от энергии удара для гранита, из которых следует, что увеличение энергии удара примерно в 2,5 раза приводит к увеличению числа микрочастиц во всех рассматриваемых диапазонах в 2-3 раза. Однако возможно лишь отметить общую тенденцию, так как устойчивая зависимость количества частиц от энергии удара наблюдается не во всех экспериментах. Тем не менее, можно отметить следующие закономерности в образовании микрочастиц при ударном воздействии. Количество образующихся частиц зависит от петрографических особенностей горных пород и, например, для образца гранита оно примерно на порядок больше чем для змеевика и доломита при одинаковом уровне нагружения. Как правило, наибольшее количество частиц приходится на диапазон 0,5-5 мкм, но для некоторых пород (гранит, змеевик) характерно и образование субмикронных частиц размером менее 0,5 мкм. Генерация наибольшего числа микрочастиц в каком-либо диапазоне размеров наблюдается не после первого нагружения, а с некоторой задержкой после определенного числа циклов, что вполне соответствует современным кинетическим представлениям о природе разрушения, т.е. имеет место подготовка к отрыву микрочастиц во времени.

Можно предположить, что при ударе в области взаимодействия волн напряжений на границе отверстия возникают кратковременные растягивающие напряжения, приводящие к образованию микрочастиц. Такой специфический вид динамического разрушения, вызываемый взаимодействием волн напряжений, называется отколом [4], что позволяет в какой-то степени по аналогии и в нашем случае считать, что микроразрушение и образование частиц обусловлены данным механизмом. Долгое время считалось, что при ударно-волновом воздействии разрушение происходит мгновенно, при достижении критической величины растягивающих напряжений Ор, называемой обычно откольной прочностью материала, а сама величина Ор, является некоторой постоянной характеристикой прочности материала, не зависящей от фактора времени.

500

450

400

350

300

с

0 о.

1 250

§ 200

(II

т

к ^

о гс

150

100

50

I —- Ряд1

-СНРяд2

ь РядЗ

0„ 10 20 30

Количество циклов нагружения

б

а

Рис. 1. Распределение микрочастиц для образца гранита в зависимости от числа циклов нагружения при энергии удара 2

Ео (а) и 2,5Ео (б) в диапазонах размеров: 1 - 0,3-0,5 мкм; 2 - 0,5-5 мкм; 3 - больше 5 мкм

Рис. 2. Распределение микрочастиц для образца змеевика в зависимости от числа циклов нагружения при энергии удара 2 Ео (а) и 2,5Ео (б) в диапазонах размеров: 1 - 0,3-0,5 мкм; 2 - 0,5-5 мкм; 3 - больше 5 мкм

Рис. 3. Распределение микрочастиц для образца гранита при энергии удара: 1

Ео; 2 — 2,5 Ео

Только в 60-х годах прошлого столетия появились первые работы, неоспоримо указывающие на необходимость учета этого фактора при откольном разрушении. Показано, что величина разрушающего напряжения материалов зависит от формы и длительности импульса растягивающих напряжений, от напряженно-деформированного состояния среды и ее исходной микроструктуры. Понятно, что эти факторы определяют и закономерности образования микрочастиц в рамках наших экспериментальных исследований. Эмиссию частиц можно объяснить тем, что в образцах микронеоднородных геоматериалов формируются при ударно-волновом воздействии локальные микрообласти разрушения вследствие неоднородного распределения напряжений и локального превышения предела прочности материала.

В настоящее время нет экспериментальных методов, с помощью которых можно было бы проводить прямые измерения параметров состояния материала непосредственно в зоне протекания процесса динамического разрушения. Регистрация эмиссии микрочастиц дает информацию о кинетике и характере развития процесса разрушения и позволяет определить уровни нагружения, соответствующие зарождению повреждений на микроскопическом уровне. Дальнейшее развитие этого направления исследований кроме совершенствования техники проведения эксперимента может быть

полезно как в прикладных областях, например, для контроля и прогнозирования динамических проявлений горного давления так и для изучения механизма разрушения горных пород.

- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Трубецкой К.Н., Викторов С.Д., Галченко Ю.П., Одинцев В.Н. Техногенные минеральные частицы как проблема освоения недр // Вестник РАН. - 2006. -Т.76. - №4.

2. Викторов С.Д., Кочанов А.Н., Осокин А.А. Определение состояния предразрушения горных пород по генерации микро- и наноразмерных частиц // Отдельный выпуск Горного информационно-аналитического бюллетеня. - М.: Горная книга. - 2010. - № ОВ1. - С. 88-93.

3. Viktorov S.D., Odintcev V.N., Kochanov A.N., Osokin A.A. Phenomenon of the Emission of Microparticles under Quasi-Static Loading of Rocks China.- Metallurgical Industry Press, China.-2011. - p. 3-5

4. Глушак Б.Л., Куропатенко В.Ф., Новиков С.А. Исследование прочности материалов при динамических нагрузках. - Новосибирск: Наука, 1992. - 294 с. [ГШ

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -

Викторов Сергей Дмитриевич - профессор доктор технических наук, зам. дир,ектора, victorov_s@mail.ru

Кочанов Алексей Николаевич - кандидат технических наук, ст. научный сотрудник, kochanov@mail.ru

Осокин Александр Андреевич - мл. научный сотрудник, osokin_alex-r@mail.ru

Учреждение Российской академии наук Институт проблем комплексного освоения недр Российской академии наук (УРАН ИПКОН РАН).