Поврежденность кристаллов при взрыве горных пород тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

ВВЕДЕНИЕ.,.

Глава 1. Литературный обзор.

IЛ. Особенность строения и механические свойства горных пород.

1.2. Некоторые сведения ©механизме разрушения.

1.3. Акустические исследования

1.4. Некоторые сведения о взрыве.—.

1.5. Процесс разрушения пород небольшой и средней прочности.

1.6. Процесс разрушения крепких и весьма крепких пород.

2. 2. Проведение камуфлетного взрыва в лабораторных условиях.34

2.3. Наблюдение микронесплошностей в образцах гранита с помощью люминесцентного микроскопа MJI-3.39

2.4. Моделирование взрывного (ударного ) воздействия на простейшей модели гетерогенной среды.42

2.5. Определение обшего объема микронесплошностей.44

Глава 3. Экспериментальное изучение поврежденности гранита при взрыве.46

3.1 Введение.—.46

3.2. Экспериментальное наблюдение микронесплошностей (поврежденности) методом люминесцентной микроскопии.,47

3.3. Моделирование разрушения гетерогенной системы в условиях локального кратковременного растяжения.63

3.4 Исследование интегральной поврежденности .67 3

3.5. Интегральная поврежденноеть гранита при взрыве заряда малой плотности.76

3.6. Итоговые результаты проведенного исследования.79

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.80

Литература.82

Введение

Актуальность работы. Анализ проблемы обеспечения естественной сохранности кристаллов при традиционном взрывном способе их добычи свидетельствует о наличии техногенных: нарушений (микротрещшг, сколов, сдвигов) в значительной части добываемого кристаллосырья, что приводит к невосполнимым потерям, особенно при гибели уникальных экземпляров.

Для разработки физических основ оптимизации технологии взрывного способа добычи и дезинтеграции горной массы становится необходимым определение не только истинных размеров зоны макроразрушения вмещающей породы, но и в не- меньшей степени размеров зоны микроскопических нарушений сплошности, зоны поврежденности. Однако нарушения сплошности микроскопического масштаба в непрозрачных минералах и горных породах в настоящее время просто не фиксируются вследствие маскировочного эффекта рельефа даже при использовании операции шлифование поверхности. А именно дефекты такого масштаба могут иметь место во вмещающих породах как в зоне разрушения, так и в более удаленных зонах. Для горных пород вопросы накопления повреждений, вопросы управления разрушением являются чрезвычайно актуальными. Интерес к рассмотрению этого вопроса определяется необходимостью поиска физически обоснованного подхода к определению истинных размеров зоны повреждаемости, что необходимо при разработке технологии щадящего взрывания.

Целью работы в связи с этим являлось изучение распределения нарушений сплошности на различном удалении от центра взрыва, поскольку оказалось, что подобных данных в литературе нет, в частности, из-за отсутствия соответствующей методики исследования.

Для решения этой задачи представлялось необходимым применить люминесцентную микроскопию с использованием эффекта диффузии в образцах горной породы специалных низкомолекулярных люминофоров с характеристическим излучением в коротковольновой части спектра под воздействием ультрафиолетового (УФ) облучения и в качестве способа нагружения выбрать метод камуфлетного взрыва. Научная новизна

1. Методом люминесцентной микроскопии впервые показана возможность выявления post factum индуцированных взрывом повреждений (микронесплошностей) в кристаллических компонентах горной породы .

2.Показано, что в областях, значительно удаленных от центра взрыва и в которых расчет и экслериментпоказывает уровень напряжений при взрыве

0.2.0,4 от прочности породы на отрыв, наблюдается достаточно высокая поврежденность и при этом только в высокомодульных компонентах

3. Впервые в модельном эксперименте по ударному нагружению композитного образца показано, что в первую очередь разрушается высокомодульное включение в полном соответствии с принципом совместности деформирования, что однако ранее в технологии взрывной отбойки не принималось во внимание.

4. Впервые показано, что переход от традициооного взрывного заряда максимальной плотности к заряду существенно меньшей плотности (с более равномерным распределением энергии во времени) может обеспечить большую сохранность высокомодульных включений (меньшую поврежденность), что открывает возможность разработки технологии щадящего взрывания.

Практическая значимость результатов

1. На основе метода люминесцентной микроскопии разработана методика выявления индуцированной взрывом поврежденности кристаллов в горных породах.

2. При отработке технологии щадящего взрывания необходимо учитывать не только уровень средних напряжений в кристалловмещающей породе в целом, а, в первую очередь, уровень возможной локальной деформации, что ранее не принималось во внимание при расчете параметров взрыва. 6

Положения, выносимые на защиту.

1. Показано, что привзрывном нагружении помимо общеизвестной зоны трещинообразования в породе в целом имеет место более протяженная, потенциально опасная: зона микроповреждений высокомодульных кристаллов.

2. Разработаны физические основы метода определения зоны микроповрежденности высокомодульных кристаллов для тестирования технологии щадящего взрывания при добыче ценного кристаллосырья.

3. Показана возможность осуществления щадящего взрыва ( более мягкого распределения энергии взрыва во времени по сравнению с применением традиционного заряда высокой плотности ), в частности, при сохранении равенства потенциальных энергий путем уменьшения плотности заряда* при котором размер зоны поврежденности высокомодульных компонентов может быть минимизирован.

Основные выводы сводятся к следующему:

При взрывном способе добычи ценного кристаллоеырья необходимо учитывать, что помимо традиционной зоны трещинообразования в кристалловмещающей породе имеет место в несколько раз более протяженная зона микроповреждений именно высокомодульных кристаллов

Показано, что при взрывных работах с помощью высокоплотных ВВ зона микроповреждений высокомодульных включений в кристалловмещающей породе при традиционной технологии в несколько раз больше, чем при технологии использования малоплотных ВВ, которая может рассматриваться как один из вариантов технологии щадящего взрывания.

83

1. Садовский М. А., Голубева Т.В., Писаренко В. Ф., Шриман М. Г. Характерные размеры горной породы и иерархические свойства сейсмичности. // Изв.АН СССР, Физика Земли: - 1984. -№2 - с.>15

2. Садовский М. А., Писаренко В. Ф. Сейсмический процесс в блоковой среде. М.: Наука, 1991,96с.

3. Никитин Л. В., Рыжак Е. И. Закономерности разрушения горной породы с внутренним трением и дилантансией: // Изв. АН- СССР. Физика Земли. 1977. №5.

4. Ханукаев А,Н. Энергия волн напряжений при разрушении пород взрывом. // Государственное научно-техническое издательство литературы по горному делу. Москва 1962.

5. Баум Ф.А. и др. Физика взрыва М.: Наука 1975.

6. Соболев Г.А., ШаминагбьГ. Современное состояние лабораторных исследовании процесса разрушения применительно к физике землетрясений // Физика очага землетрясений. М.: Наука,1975". С.68-90.

7. Griggs D.T. Observations of frecture and hypothesis оГearthquakes.// Rock-Deformation 1960. № 4.

8. Mogi K. Effect of the triaxial stress sistem on the failure of. dolomite and limestone. // Tectonophysics^l 971. Vol. 11.

9. Авчан Г. M. Физические свойства осадочных пород при высоких давлениях и температурах. М.: Недра, 1972Г 144с.

10. Стаховская З.И.,Микаелян А.О.,Соболев Г.А. Влияние внутри-порогового давления на скорости упругих волн в известняках при всестороннем и осевом сжатии. // Изв. АН СССР. Физика Земли; 1981. №2. С 51-57.

11. Hubbort N.K., Runey W.W. Role of fluid pressure in mechanics of overthrust faulting. // Bull. Geo!. Soc. America. 1959. vol. 70.

12. Справочник физических констант горных пород / Под ред. С.Кларка.М.: Мир, 1979. 543 с.

13. Ставрогин А. Н. Анализ: экспериментальных: результатов по деформации и разрушению горных пород // Горное давление, сдвижение горных пород и методика маркшейдерских работ М.:ВИНИТИ,1968.С.82-111

14. Осипенко Н.М. Некоторые вонросы механики разрушений трещиноватых горных пород. Автореф. дис. канд. физ.-мат. наук. М.:ИФЗ АН СССР,1971.

15. Rummel F., Fairhurat С. Determination of the poatfailure behaviour of brittle rock using a servo-controlled testing machine. // Rock Mehcnics. 1980. vol.2. P.189.

16. Протодьяконов M.M., Свойства породообразующих минералов и их электронное строение. // М. гНаука, 1965.

17. Гольдштейн Р. В. , Осипенко Н. М. Разработка механических моделей формирования структур разрушения горных пород с целью количественного описания тектонических процессов // Отчет ЙПМ АН СССР. М.:1991. 49 с.

18. Waworsik W.R. Brace W.F. Post-failure behaviour of a granite and diabase. // Rosk Mochanics. 1971. vol.3.

19. Ванек JI., Клима К . , Козак Я., Шамина О. Г. Изучение шлирен методом упругих волн, проходящих через области концентрации напряжений // ДАН СССР. 1973 . Т. 210, №2. С. 324-326.

20. Панасюк В.В. Предельное равновесие хрупких тел с трещинами. Киев: Наукова думка, 1968.

21. Предвестник» землетрясений / Под ред. М. А. Садовского. М.: ВИНИТИ, 1973.

22. Duba S.J. the stress around a fault according to a photoelastic model experiment.// Geophys. LRoy. Actron. Soe., 1975.vol. 9, № 4. F. 399-410.

23. Hoek E., Bioniawski Z.T. Brittle fracture propagation in rock under compression.// J. Fract.Mech. 1975: vol. Г, №3.

24. Юрель Г.Н., Ставрогин A.H., Мансуров В.А. Зарождение^ развитие трещинв мраморе в условиях неравномерного сжатия И Прогноз землетрясений. Душанбе ; Москва; Дониш, ИШ-1984. №4. С174488.

25. Осипенко Н. М. Некоторые вопросы механики разрушений трещиноватых горных пород. Автореф. дис.канд. физ. мат. наук. М.: ИФЗ АН СССР, 1971.

26. Райе Дж. Механика очага землетрясения. М.: Мир. 1982. 217с.

27. Костров Б.В. , Фридман ВН. Механика хрупкогсгрЕзрушения при сжимающих нагрузках7/ Физика очага землетрясения.М,^Наука 1975.С.30-45

28. ШаминаО.Г., Стрижков С.А. Исследования взаимодействия трещин в образцах под давлением // Изв. АН СССР.Физика Земли. 1975. № 9.С. 17-27.

29. Mogi К. Study of elastic shocks by the fracturo of heterogoncous materials and itsrelations to earthquake phenomena. // Bull. Earthquakes Res. Inst. Tokyo Univ.1962. vol.40. Ж. P. 125-173.

30. Mogi K. The fracture of a semi-infinite body caused by an inner stress origin and its relations to the eartnguake phenomena.// Bull. Earthquake Res. Inst. Tokyo Univ. 1963. vol. 41, № 3.

31. Виноградов С. Д. Об изменениях сейсмического режима при подготовке разрушения // Моделирование предвестников землетрясений.

32. М.: Наука, 1980. С.169-178.

33. Руммель Ф.,Соболев Г.А.Изучение образования сдвиговых трещин и сейсмического режима в образцах содержащих включения пониженной прочности // Изв. АН СССР.Физика Земли. 1983.№ 6. С.59-73.

34. Ляшков А.И., ИнжеваткинЙЕ., Савельев В.Н. Изучение зарождения микротрещин в металлах методом акуетичеекой эмиссии.// Дефектоскопия -1980.-№6 -с.98-101.

35. Станчиц С.А. Излучениеупругих: волн растущими: третцинами.-Автореф. канд. дисс.Л., ФЭГЙ АН СССР, 1990.

36. Ставрогин А.Г. Механика деформирования и разрушения-горных пород.-М., Недра, 1992,224с

37. Paierson М., Experimental Rock Deformation. Springer, New York, 1978,254pp.

38. Соболев Г.А., Колцов A.B.,Андреев B.O. Триггерный эффект колебаний в модели землетрясения.// ДАН СССР -1991.-т.319,№ 2-С.337-341.

39. Соболев Г.А., Дубровина Г.В. Форшоки как триггеры землетрясений. //ДАН-1994. -т.336, №3~-с.387-390.

40. Страховский И. Р. Трещинообрязование поверхностные деформации в зоне формирования сдвигового разрыво в образце горной породе. // Изв. АН СССР. Физика Земли-1988.-№5 -с.88-94.

41. Соболев Г.А. Основы прогноза- землетрясени&.-Масква, Наука, 1993,313с.

42. Соболев Г. А., Демин В. M. Кинетика электромагнитного и акустического изучений как предвестник неустойчивости контшстон блоков. //ДАН СССР 1988.-Т.303, Ш, с.834-837.

43. Баддари К., Соболев Г. А., Фролов А. Д, Комплексные предвестники разрушения крупных блоко» горных пород, //• ДАН СССР-1988. -т.299, №5 -с. 1087-1091.

44. Ставрогин А.Н., Танов Г.Н. и др. Исследование акустической эмиссии при деформировании горных пород в условиях сложного осесимметрического напряженного состояния.// Физико-тех-нические пробл. разработки полезных ископаемых. 1986, №5, с. 16-26.

45. М. А. Садовскый, Механический эффект подземного взрыва, // М.гНедра 1971. // М.:

46. Г.М. Ляхов, Основы динамики взрыва в грунтах и жидких средах, // М.: Недра 1964.

47. Кучерявый Ф.И. Лученко И.А. Взрыв и горные технологии. // Киев :Наук думка, 1988. 157с

48. Г.М. Ляхов и Покровский , Взрывные волны в грунтах. Гостехиздат., 1962.

49. Бежанов Т. В., Гвоздева и др. Ударные волны в реалных газах. "Наука" 1967.

50. В. П. Корбейников, Н. С. Мельникова, Е. В. Рязанов. Теория точечного взрыва Физматгиз, !961.

51. Ефремов Э.И. и др. Прогнозирование дробления горных массивов взрывом. // УССР . Ин-т. геотехн. механики Киев: Наук думка, 1990.230с

52. Г.Кольский , Волны напряжения в твердых телах. ИЛ. 1955.

53. Боровиков В.А., Ванягин И.Ф. Моделирование действия взрыва при разрушении горных пород. М.: Недра 1990. 230с.

54. Боровиков В.А., Ванягин И. Ф.// Методы и технология взрывныхработ, Ленинград (1985)

55. V. A. Borovikov, А. V. Skropyshev et al. TsIINTsVETMET (Central Scientific-Research Institute for Nonferrous Metals) informatsiya, M. (1985 ), pp.56-57.

56. Г.И. Покровский, И.С. Федоров. Действия удара и взрыва в деформируемых средах, Госстройиздат. 1957.

57. К.А. Станюкович, Л. П. Орленко. Основы теории действия взрыва. Изд. ВИА. 1964.

58. Барон Л.И. и др. Нарушение пород при контурном взрывании.// Л., Наука Ленинград:отд-ние 1975. 339с.

59. Исаков А.Л. Исследование вопроса о трешинообразовании При взрыве в пластических средах. Автореф. уч. ст.к.ф.м.н. (01.02.04) Новосибирск 1975.22с.

60. Петросян, Михаил Иванович. Разрушение горных пород привзрывной отбойке. // М.: Недра, 1991-141с.

61. Бежанов Т. В., Гвоздева и др. Ударные волны в реалных газах. "Наука" 1967.

62. Э.И. Ефремов, B.C. Кравцов и др. Разрушение горных пород энергией взрыва .// Киев : Наук, думка 1987-258с.

63. Соболев Г.А., Шамина О.Г. // Современное состояние лабораторных исследований процесса разрушения применительно к физике землетрясений.// Физика очага землетрясений. М., Наука, 1975, с.68-90.

64. Боровиков В.А., Ванягин И.Ф. Менжулин М.Г. // Записки ЛГИ "Разрушение горных пород", т.125, Л., 1991, с.10-17.

65. Боровиков В.А., Скропышев А.В. и др. // ЦНИИЦВЕТМЕТ -информация М., 1985, с.56-57.

66. Иванов В.И. Применение метода АЭ для неразрушаюшего контроля. //Дефектоскопия, 1980, N5, с.65-84.

67. Иванов В.И. Применение метод акустической эмиссии для неразрушающего контроля. // Дефектоскопия, 1980, N5, с.65-84.

68. Златин Н.А., Мочалов С.М., Пугачев Г.С., Брагов A.M. Способ возбуждения в твердом теле импульса сжатия с плоским фронтом. // ЖТФ, № 3, 1975, с.681-682.

69. А. П. Тишкин, А.М. Лексовский, ПисмавЖТФ. 14, 1463 (1988).

70. Куксенко B.C., Савельев В.И., Султонов У. С. Очаговый характер разр. горн, пород.// Изв. АН СССР, Физика Земли, 1978, №2, с,23-29.

71. Мосинец В.Н., Боровиков В.А. Соколов Б.А., Брыгин Ю.Л. // Горный журнал, 1987, N12, с.29-32.

72. А.Н. Бовт, Е.Е. Ловецский и др. Механическое действие камуфлет-ного взрыва .// М.'.Недра 1990-179с.

73. C.Zweden, B.Rosen, J. Mech. Phys. Solids, 18,189(1970).

74. Кривошеее С.И., Морозов Н.Ф., Петров Ю.В., Шнеерсон Г.А. Инициирование разрушения твердых тел при интенсивном импульсном нагружении. // Известия Академии наук, Механика твердого тела, j5,1999, с. 165-172

75. Березкин А.Н., Кривошеее С.И., Уткин А.А., Петров Ю.В Эффект запаздывания старта трещины при пороговых импульсных нагрузках. Доклады РАН т.375, j3, 2000

76. Лексовский А.М. Абдуманонов А. Бозоров Н.С., Боровиков В.А.,

77. Емельянов Ю.А., Синани А.Б. Некоторые аспекты микромеханики разрушения горных пород при взрыве. // Труды Междун. сем. Актуал. пробл. прочности им В.А.Лихачева т.2, ч.2, Новгород, 1997, с.397-401

78. V. A. Borovikov and I. F. Vanyagin, and M. G. Menzhulin, Records of the Leningrad Mining Institute "Fracture of Rocks" in russian., Vol. 125, Leningrad (1991), pp. 10-17.

79. V. A. Borovikov and I. F. Vanyagin, Methods and Technology of Explosive Operations in Russian., Leningrad (1985).

80. Подуков В.А. Моляров И.П. Механика разрушения горных пород при взрыве.// Иркутск: Издательство Иркутского университета 1985 127с.92

81. Носков. В.Ф. Разрушение горных пород взрывом . // М.: Моск. горн. ин-т. 1977-53с.

82. Действие взрыва в неоднородной среде, (сб. ст.) Под ред. А.А. Спивака. // М. .Недра 1990-228с.

83. Лексовский A.M., Боровиков В.А., Бозоров Н.С., Абдуманонов А. Обнаружение микротрещин в образцах горных пород с помощью люминесцентной микроскопии. // Письма в ЖТФ, т.22, 1996, вып.З, с.6-9.