Исследование фрактальных характеристик развития трещиноватости горных пород под действием поверхностно-активных веществ

Актуальность темы

Эффективность технологии горного производства определяется свойствами и состоянием разрабатываемых пород. В первую очередь это относится к процессам их разрушения. До настоящего времени единой работоспособной теории разрушения твердых тел не создано, и в этом ведутся интенсивные научные исследования. При всем различии в исходных физических предпосылках все современные теории и концепции прочности горных пород связывают процесс разрушения с образованием новых поверхностей в ходе зарождения и развития трещин.

Перспективным средством интенсификации трещинообразования и, следовательно, разрушения горных пород является использование поверхностно-активных веществ (ПАВ), действие которых основано на адсорбционном понижении поверхностной энергии тел (эффект Ребиндера). Поверхностно-активные вещества давно и успешно используются в самых различных областях науки и практики. Однако, не смотря на очевидную эффективность их применения, широкого распространения в горной практике они не получили из-за слабой разработанности теоретической и методической основ. Известны лишь немногочисленные работы в этом направлении, наметившие основные подходы к решению данного вопроса, которые нуждаются в дальнейшем развитии. Одним из таких направлений является изучение роли эффекта Ребиидера в развитии трещи новатости горных пород.

Известные методы изучения трещиноватости пород обычно рассматривают трещины как линейные структуры, что не соответствует их природе. Учесть реальную геометрию трещин позволяет активно развивающийся в настоящее время инструментарий фрактальной геометрии. При этом, ее использование позволяет не только определить конфигурацию трещин, но и в более широком смысле оценить фрактальность, т. е. самоподобие, как фундаментальное свойство природы.

Все вышеизложенное определяет актуальность данной темы исследований.

Объект исследования — скальные горные породы как природные гетерогенные структуры с развитой системой трещин.

Предмет исследования — закономерности изменения фрактальных характеристик трещиноватости горных пород под воздействием внешних нагрузок и поверхностно-активной среды.

Цель работы — разработка системы прогнозных оценок эффективности использования поверхностно-активных веществ в процессах разрушения горных пород.

Идея работы — использование фрактальных характеристик трещиноватости для прогнозирования эффективности использования поверхностно-активных веществ в процессах разрушения горных пород.

Основные задачи исследования: х.

1. Разработка методики, аппаратурного и компьютерного обеспечения люминесцентной дефектоскопии применительно к изучению фрактальных характеристик трещиноватости горных пород.

2. Исследование закономерностей образования и развития трещин в горных породах под действием внешних нагрузок и поверхностно-активной среды на основе лабораторных испытаний.

3. Определение влияния поверхностно-активных веществ на характеристики разрушаемости горных пород.

4. Разработка компьютерных процедур моделирования развития трещин в горных породах.

5. Разработка системы прогнозных оценок эффективности использования ПАВ в процессах разрушения горных пород ударом и взрывом, а также невзрывчатыми разрушающими средствами (НРС).

Методы исследований: лабораторное определение свойств горных пород по стандартным методикамлюминесцентный способ изучения трещин под микроскопомизучение фрактальных характеристик трещиноватости горных породкомпьютерное моделирование распределения и динамики трещинопределение характеристик гранулометрического состава горных пород, разрушенных единичным ударомстатистическая проверка надежности и достоверности результатов экспериментальных исследованийаналитические исследования разрушаемости горных пород с учетом фундаментальных законов физики твердого тела (горных пород) и фрактальной геометрии.

Защищаемые научные положения:

1. Степень нарушенности и удельная поверхностная энергия горных пород определяются фрактальными характеристиками их трещиноватости, которые измеряются для различных условий нагружения с помощью разработанной методики фиксации координат трещин способом люминесцентной дефектоскопии.

2. Развитие под действием ПАВ существующих в горной породе трещин и зарождение новых микротрещин описываются разными по характеру распределениями, имеют различную природу и определяются уравнениями теории Гриффитса и кинетической концепции прочности, параметры которых учитывают фрактальную размерность трещин.

3. Эффективность использования ПАВ при динамическом разрушении пород оценивается ростом концентрации активируемых нарушений, которая определяется разработанной методикой моделирования процесса на ударном копре. Установленные параметры экспоненциального распределения фрактальных размеров трещин (уравнения Коши) используются для прогнозирования вероятности разрушения пород при различном уровне напряжений.

Достоверность научных положений, выводов и результатов работы обеспечивается использованием апробированных методов фрактальной геометрии, достаточным с точки зрения статистических критериев объемом экспериментальных исследований, удовлетворительной сходимостью результатов аналитических расчетов и реализации компьютерных моделей с наблюдаемыми значениями трещиноватости и свойств изученных пород (расхождение не превышает естественную вариацию данных характеристик), непротиворечивостью полученных результатов фундаментальным положениям физики разрушения твердого тела (горных пород).

Научная новизна результатов исследования заключается в следующем:

— на основе метода люминесцентной дефектоскопии установлена процедура определения фрактальных характеристик трещиноватости горных пород и разработана новая компьютерная имитационная модель динамики трещин на основе системы итерационных функций фрактального броуновского движения, в которой впервые учитываются закономерности роста трещин в горной породе под действием поверхностно-активных веществ.

— впервые установлено различие в законах распределения фрактальных характеристик трещин разного класса и определены параметры аппроксимирующих уравнений (логарифмически линейного и Вейбулла).

— получены новые соотношения для оценки прочностных и деформационных свойств горных пород на основе классических уравнений Гриффитса и кинетической концепции прочности с учетом фрактальных характеристик развития трещиноватости горных пород под действием ПАВ.

— разработана новая методика оценки активируемых ударом и взрывом нарушений в горной породе на основе установленной взаимосвязи концентрации этих нарушений с параметрами гранулометрического состава продуктов дробления и учитывающая действие поверхностно-активных веществ.

Практическая значимость работы заключается:

— в разработке комплексной методики изучения трещин и оценки их фрактальных характеристик, которая является эффективным инструментом анализа при проведении научных исследований в области физики разрушения твердых тел;

— в обосновании методики прогнозирования свойств и состояния горных пород при воздействии на них поверхностно-активными веществами;

— в создании методики оценки концентрации активируемых ударом и взрывом нарушений, позволяющей проектировать параметры БВР, обеспечивающие требуемое качество дробления горных пород с заданной надежностью.

Личный вклад автора состоит: в прямом его участии в экспериментальных исследованияхв отработке методики люминесцентного способа изучения фрактальных характеристик трещиноватости горных породв аналитических исследованиях влияния трещиноватости на свойства и состояние горных породв получении основных выводов и рекомендаций работы.

Реализация результатов работы. Методика изучения трещиноватости горных пород способом люминесцентной дефектоскопии и сопровождающие ее компьютерные программы и модели, а также методика оценки концентрации активируемых нарушений в горных породах, обработанных растворами ПАВ, переданы для использования Институту горного дела УрО РАН, Уральскому филиалу ВНИМИ и Магнитогорскому государственному техническому университету.

Теоретические и экспериментальные результаты исследований по направленному изменению трещиноватости, свойств и состояния горных пород поверхностно-активными веществами используются при чтении лекций и проведении лабораторных занятий по курсам «Физика разрушения горных пород при бурении и взрывании», «Методы и средства изучения быстропротекающих процессов». Автор участвует в проведении данных занятий и в их методическом обеспечении.

Основные материалы, полученные в диссертации, будут включены в готовящуюся к изданию монографию «Исследование фрактальных свойств и теоретические основы прогноза образования и развития трещин в процессах разрушения горных пород».

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались: на Всероссийской конференции-конкурсе студентов выпускного курсаСПбГГИ (ТУ), г. Санкт-Петербург, 2005 г. (автором получен диплом второй степени) — на научно-технических конференциях «Теория и практика добычи, обработки и применения природного камня» — МГТУ, г. Магнитогорск, 2005, 2008 г.- на II Международной конференции «Проектирование, строительство и эксплуатация комплексов подземных сооружений» — УТТУ, г. Екатеринбург, 2007 г.- на пятой международной научной конференции «Физические проблемы разрушения горных пород» — СПбГГИ (ТУ), г. Санкт-Петербург, 2006 г.- на международной научной конференции «Неделя горняка» — МГТУ, г. Москва, 2008 г.- на ежегодных Молодежных научно-практических конференциях Уральского государственного горного университета (2003 — 2008 гг.).

Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 14 печатных работах, включая одну монографию.

Объем и структура работы. Объем диссертации составляет 168 страниц машинописного текста, включая 51 рисунков и 11 таблиц. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка из 123 наименований.

Выводы.

1. Одна из основных особенностей эффекта Ребиндера — избирательность действия ПАВ. В этой связи важнейшей задачей является выбор для конкретных условий применения эффективных растворов ПАВ в их оптимальной концентрации. В качестве экспрессной оценки эффективности ПАВ используется величина контактной прочности горных пород. Для более точной оценки предлагается новый критерий, основанный на оценке удельной поверхности трещин, образующихся под действием ПАВ, что напрямую соответствует физико-химическому механизму эффекта Ребиндера.

2. Технология добычи каменных блоков с помощью невзрывчатых разрушающих составов (НРС) определяется двумя факторами — образованием зародышевой трещины на стенке шпура и ее прорастанием до соседнего шпура в ряду. Использование ПАВ сопровождается активизацией каждого из сторон процесса. Расчеты показывают, что применение поверхностно-активных веществ в технологии отбойки пород НРС позволяет на 16% увеличить межшпуровое расстояние и, следовательно, в такой же пропорции уменьшить число шпуров.

3. Концентрация трещин в горных породах достаточно точно описывается уравнением Коши, что свидетельствует об их независимости и случайном распределении. Установленные параметры этого распределения для исходных пород и обработанных раствором ПАВ позволяют оценить вероятность разрушения горных пород взрывом. На макроуровне для этого используется уравнение.

Вейбулла с коэффициентом неоднородности горной породы, пропорциональным концентрации активируемых взрывом нарушений. Применительно к изученным породам при тех же параметрах БВР использование ПАВ способно практически вдвое улучшить качество дробления породного массива.

4. Разработанная В. А. Безматерных теория и методика проектирования параметров БВР ориентируется на концентрацию активируемых нарушений горной породы, определяемой путем опытного взрывания. Выполненные нами исследования позволили обосновать методику определения концентрации активируемых нарушений путем моделирования взрыва на ударном копре. Полученное уравнение связывает число нарушений с энергией удара и дает возможность оценить эффективность действия ПАВ при взрывном дроблении горных пород.

5. Прогнозирование концентрации активируемых нарушений позволяет оценивать качество дробления горных пород взрывом с заданной степенью надежности (Г. П. Берсенев). Расчеты, произведенные для известняков Североуральских бокситовых месторождений, показывают, что использование поверхностно-активных веществ приводит к существенному возрастанию ЛНС при том же уровне надежности и качестве дробления горных пород.

6. Исследования, выполненные совместно с В. В. Сынбулатовым, позволили определить кинетику насыщения горных пород активными растворами, описать технику и технологию обработки породного массива поверхностно-активными веществами. Получены расчетные соотношения, позволяющие прогнозировать степень насыщения пород активным раствором только за счет бурения шпуров и скважин с промывкой растворами ПАВ. Полученные рекомендации переданы лаборатории разрушения горных пород взрывом Института горного дела УрО РАН, Уральскому филиалу ВНИМИ и Магнитогорскому государственному техническому университету.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В диссертации, представляющей собой законченную научно-квалификационную работу, дано новое решение актуальной научной задачи прогнозирования эффективности направленного изменения свойств и состояния горных пород поверхностно-активными веществами на основе установленных закономерностей изменения фрактальных характеристик зарождения и развития трещин, имеющее существенное значение для проектирования процессов разрушения горных пород.

Основные научные результаты, выводы и рекомендации работы заключаются в следующем.

1. Усовершенствован люминесцентный микроскопический метод дефектоскопии, адаптированный к особенностям горных пород, создана и апробирована лабораторная установка, подобран оптимальный состав люминофора и разработана процедура фотофиксации трещин с компьютерной программой определения их координат.

2. Разработанные алгоритмы и компьютерные программы позволяют надежно определять реальную геометрию трещин путем оценки их фрактальной размерности. Определение корреляционной размерности трещиноватой горной породы дает комплексную характеристику ее нарушенности. Совокупность проведенных исследований позволила установить зависимость фрактальной размерности от линейной длины трещин, параметры нормального распределения углов ориентировки трещин по отношению к линии действия нагрузки и характеристики пространственного расположения трещин.

3. Установленные закономерности являются базой имитационного моделирования трещинообразования в горных породах, в основу которого положены методы срединного смещения и фрактального броуновского движения. Реализация модели позволяет получать комплексную информацию о динамике развития трещин.

4. Адсорбция активных молекул на поверхности трещин приводит к понижению поверхностной энергии горных пород, что сопровождается общим ростом трещиноватости пород под нагрузкой: концентрации трещин — в 3,88 разаих удельной поверхности — в 3,96 раза — степени нарушенности породы — в 7,93 раза. Все это приводит к изменению их свойств и состояния: прочность изученных пород снижается на 2(К80%- модуль упругости — в среднем в 1,3-М, 6 раза.

5. Увеличение общей трещиноватости пород, насыщенных раствором ПАВ, обусловлено двумя факторами — ростом уже существующих трещин и зарождением новых микротрещин. Концентрация указанных трещин описывается разными законами распределения (логарифмически линейным и распределением Вейбулла), что свидетельствует о различии в физических механизмах данных процессах.

6. Аналитическая оценка действия ПАВ с позиций теории трещин Гриф-фитса и кинетической концепции прочности позволила получить соотношения, являющиеся основой прогнозирования свойств и состояния горных пород, их удельной поверхностной энергии и трещиностойкости с учетом фрактальных свойств трещиноватой горной породы как природной самоподобной структуры.

7. Технология добычи каменных блоков с помощью невзрывчатых разрушающих составов (НРС) определяется двумя факторами — образованием зародышевой трещины на стенке шпура и ее прорастанием до соседнего шпура в ряду. Использование ПАВ сопровождается активизацией каждого из сторон процесса. Расчеты показывают, что применение поверхностно-активных веществ в технологии отбойки пород НРС позволяет на 16% увеличить межшпуровое расстояние и, следовательно, в такой же пропорции уменьшить число шпуров.

8. Методика оценки концентрации активируемых нарушений в скальных породах позволяет оценить эффективность использования поверхностно-активных веществ при динамическом разрушении пород. Установленные параметры экспоненциального распределения фрактальных размеров трещин (уравнения Коши) используются для прогнозирования вероятности разрушения горных пород при различных уровнях напряжений.

9. Обоснованные в работе методики, теоретические и практические результаты используются в учебном процессе. Полученные рекомендации переданы лаборатории разрушения горных пород взрывом Института горного дела УрО РАН и Магнитогорскому государственному техническому университету.