Разработка метода прогнозной оценки повреждаемости кристаллов ценных минералов при взрывном способе добычи тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.07 ВАК РФ

РГ5 ОД

1 ь т? шо

На правах рукописи

Белобородое Василий Николаевич

РАЗРАБОТКА МЕТОДА ПРОГНОЗНОЙ ОЦЕНКИ ПОВРЕЖДАЕМОСТИ КРИСТАЛЛОВ ЦЕННЫХ МИНЕРАЛОВ ПРИ ВЗРЫВНОМ СПОСОБЕ ДОБЫЧИ

Специальность 01.02.07 - "Механика сыпучих тел, грунтов и горных пород"

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Новосибирск - 1998

Раоота выполнена в Ипс]и туте юрниго деда Сибирскою отделении Российской Академии наук

НАУЧНЫЙ РУКОВОДИТЕЛЬ

ОФИЦИАЛЬНЫЕ ОППОНЕНТЫ

ВЕДУЩАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ

- доктор технических наук Исаков Александр Леонидович

- доктор физико-математических наук, профессор

Могилевский Михаил Алексеевич

- кандидат физико-математических наук

Мартынюк Петр Александрович

- Имс ичу | Я)су! |!ип|«)алмач", г. Мирный

Защита состоится " {¡{'¿¿■О-р'?0-'в ^часг>в на таеедании диессрт анионного совета Д 003.17.01 Института горного дела СО РАН (630091, г. Новосибирск - 91, Красный проспект. 54).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института горного дела СО РАЛ.

/Авторефератразослан"'*^" ____1998 г.

Учений секретарь диссертационного совета У^У

доктор технических наук, профессор А.И.Федулов

Общая характеристика работы

Актуальность темы. Несмотря на важность, проблема прогнозирования и оценки влияния взрывного воздействия на кристаллы ценных минералов при отбойке кристаплосодержащих пород до настоящего времени остается открытой. Как правило на практике используются лишь эмпирическая связь повреждаемости кристаллов с кусковатостью отбитой породы или другие статистические оценки, ограниченные рамками конкретных горногеологических условий и типичными паспортами буровзрывных работ. В основу таких оценок положен средний радиус зоны повреждений кристаллов. При этом обычно игнорируется зависимость повреждаемости кристаллов от их крупности. Кроме этого на основании таких данных невозможен прогноз повреждаемости кристаллов при использовании новых, нетрадиционных типов ВВ.

Следует отметить, что в последние годы ведутся активные работы по безвзрывным методам добычи кристаллосырья, обеспечивающим большую его сохранность. Однако, в крепких породах и породах средней крепости такие методы значительно менее производительны и менее экономичны, чем взрывной.

Вышесказанное приводит к выводу о важности и актуальности задачи всестороннего исследования и описания механизма разрушения кристаллов при ударно-волновом воздействии. Только при понимании этого механизма возможен правильный прогноз повреждаемости для условий новых перспективных методов добычи, а также целенаправленный подход к выбору наиболее перспективных, с точки зрения сохранности кристаллов, новых типов ВВ.

Цель работы. Целью работы является разработка метода прогнозной оценки повреждаемости кристаллов при взрывном воздействии.

Идея работы заключается в использовании теории колебаний для описания процессов, происходящих в кристаллах под воздействием ударно-волновых нагрузок.

Методы исследований:

- анализ литературных источников;

- экспериментальное измерение деформаций имитаторов кристаллов пьезоэлектрическим и тензометрическим методами;

- прикладные методы обработки результатов эксперимента на ЭВМ;

- прямое наблюдение характера разрушений модельных образцов;

- математическое моделирование деформирования кристаллов при импульсном нагружении;

- сравнительный анализ расчетных и экспериментальных результатов с привлечением анализа спектров.

Научные положения, выносимые на защиту:

- при импульсном нагружении кристаллы входят в режим колебаний на собственных резонансных частотах с четко выраженными синусоидальными циклами;

- характер и интенсивность циклических деформаций кристаллов, вызванных ударно-волновым воздействием, описывается моделью одномерного гармонического осциллятора с затуханием, определяемым добротностью резонирующей системы "кристалл-вмещающая среда";

- амплитуда локальных циклических деформаций, происходящих в кристалле на фоне его объемного сжатия нагружающим импульсом, является основным фактором, приводящим к возникновению растягивающих напряжений в кристалле и, как следствие, его разрушению.

Научная новизна работы заключается:

- в экспериментальном обнаружении возникающих переходных колебаний в образцах, моделирующих кристаллы ценных минералов, при их нагружении взрывом в жидкой и твердой средах;

- в экспериментальном выявлении зависимостей порогового давления, приводящего к повреждению хрупких образцов в жидкой среде, от крутизны фронта волны, размеров образца и толщины вязкого покрытия, наносимого на образец;

- в математической интерпретации наблюдаемых закономерностей поведения кристаллов при динамическом нагружении, учитывающей параметры нагружа;эщего импульса, характеристики кристалла и свойства вмещающей среды; ?

- в установлении связи разрушающего воздействия взрыва на кристалл со спектральными характеристиками взрывного импульса.

Конкретное личное участие автора в получении результатов, изложенных в диссертации. Личный вклад автора заключается:

- в постановке и проведении экспериментов, выявляющих связь процессов разрушения кристаллов и возникновения в них собственных мод колебаний под действием импульсного нагружения;

- в обработке результатов измерений, в обосновании математической модели процесса разрушения кристаллов;

- в проверке разработанного метода прогнозной оценки повреждаемости кристаллов путем сопоставления расчетов с данными собственных экспериментов и данными других авторов;

- в предложении способа сбора и обработки информации о повреждающем кристаллы действии взрыва во вмещающей породе с использованием анализа спектров колебаний.

Практическая ценность:

- разработан метод прогнозной оценки повреждаемости кристаллов, реализованный на ЭВМ, позволяющий прогнозировать разрушаемость кристаллов при известных параметрах волны от взрыва заряда;

- наряду с энергетическим критерием оценки разрушающего действия взрыва на кристаллы, предложен измерительный метод оценки такого действия по спектральному составу импульса напряжений, создаваемого зарядом ВВ.

Степень достоверности результатов проведенных исследований. Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обоснована корректностью постановок задач в рамках механики деформируемого твердого тела, экспериментальной проверкой результатов аналитических исследований и удовлетворительной их сходимостью с экспериментальными данными и результатами испытаний.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на I-ой Международной конференции по буровзрывным работам в строительстве (Москва, 1992г.), а также на объединенном семинаре лабораторий ИГД.

Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 4 печатных работах.

Ценность научных результатов заключается в обнаружении новых закономерностей динамического разрушения хрупких включений, размещенных в плотной среде, которые могут быть использованы в горном деле.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов и списка литературы. Она содержит^ страниц машинописного текста, 49 рисунков, одну таблицу и 47 наименований работ отечественных и зарубежных авторов.

Основное содержание работы

Проблема сохранности кристаллосырья при разработке месторождений ценных минералов взрывным способом имеет достаточно обширную научно-техническую литературу. Большой вклад в развитие представлений о происходящих при этом процессах внесли такие известные отечественные и зарубежные ученые, как В.А. Боровиков, A.A. Вовк, Г.П. Демидюк, М.Ф. Друкованный, В.М. Комир, В.М. Кузнецов, Б.Н. Кутузов, A.B. Михалюк, В.Н. Мосинец, B.C. Никифоровский, Г.И. Покровский, А.Н. Ханукаев, БД. Христофоров, Е.И. Шемякин, Т. Atchison, М. Cook, R. Holmberg, J. Reinhart и др.

Несмотря на значительное число работ, посвященных проблеме разрушения прочных кристаллов, находящихся в менее прочной среде при взрыве, единой точки зрения по вопросу о причинах разрушения до сих пор нет. Если ограничиться наиболее важным как с практической, так и с научной

точки зрения случаем, когда кристаллы размещены не в полостях, а непосредственно вкраплены в породу, то можно выделить три наиболее распространенных подхода к решению обсуждаемой проблемы:

♦ Основным фактором разрушения кристаллов является максимальное пиковое давление в волне взрыва. Этот подход использовали В.А. Скрипка и В.П. Неганов при интерпретации своих экспериментов с натуральными кристаллами алмаза.

♦ Причиной разрушения кристаллов является появление в породе динамических растягивающих напряжений, превышающих в несколько раз порог прочности пород на растяжение. Такой подход обосновывался в работах В.А. Боровикова и И.Ф.Ванягина.

♦ Причиной разрушения кристаллов является появление динамических контактных напряжений на границе кристалл-порода, во много раз превышающих прочность породы на сжатие. Такой подход разрабатывался A.A. Вовком и А.В.Михалюком.

Кроме перечисленных, существует также точка зрения о возможности явлений откола в кристаллах. Однако, при рассмотрении конкретных временных параметров волны напряжений, генерируемой взрывом, оказывается, что длительность импульса (как нарастающей, так и спадающей ветвей профиля давления) столь велики по отношению к времени прохождения волны по кристаллу, что классический откол невозможен.

С другой стороны, из экспериментов В.А. Срипки и В.А. Боровикова известно, что пороговое давление разрушения в водной среде для одних и тех же кристаллов существенно ниже, чем в породе. В водной среде не возникает ни касательных, ни растягивающих напряжений, и факт разрушения кристаллов в водной среде требует отдельного объяснения.

В ходе выполненных автором экспериментов по выявлению особенностей процесса разрушения моделирующих кристаллы жестких хрупких образцов обнаружены зависимости порогового давления начала разрушения от таких факторов, как размер образца, скорость нарастания давления в волне и толщина наносимого на образец вязкого покрытия. Для объяснения обнаруженных особенностей была выдвинута гипотеза об определяющей роли собственных колебаний кристаллов при их разрушении взрывом в среде. Эта гипотеза нашла дальнейшее подтверждение в экспериментах, поставленных специально для ее проверки. Была обоснована математическая модель, позволяющая при разнообразных условиях нагружения оценивать возможность повреждения кристаллов и модельных образцов.

Проведенные расчеты показали, что при использовании деформационного критерия разрушения, позволяющего удовлетворительно описывать как результаты проведенных автором экспериментов, так и данные других авторов, значения величин локальных растягивающих деформаций

находятся в диапазоне 3 + 5 ■ 1 (Г4 В работе также установлена связь порога разрушения образцов и спектральных характеристик нагружающего импульса и предложен метод оценки спектральных характеристик взрывных импульсов реально используемых зарядов.

В экспериментальной части работы описываются постановка и результаты семи различных серий экспериментов.

Первая серия экспериментов проводилась на цилиндрических образцах плавленого кварца 010 мм различной длины при взрыве на различных расстояниях от заряда массой 1 г в водной вреде. Установлен порог разрушения, соответствующий максимальной амплитуде волны, приблизительно равной 50 МПа. Установлена зависимость этого порога от длины образцов. Локализация разрушений приблизительно соответствует зонам узлов стоячей волны при продольных, либо изгибных колебаниях низших мод образца. Неразвившиеся поперечные трещины сконцентрированы вблизи боковой поверхности образца. Не обнаружено зависимости характера и интенсивности повреждений образцов от ориентации оси образца по отношению к заряду.

На фотографии рис.1 представлены образцы с типичными для взрывного нагружения в водной среде разрушениями. Общее количество разрушенных в экспериментах образцов - 38 штук.

Вторая серия экспериментов проводилась на цинковых цилиндрических образцах диаметром 7 мм и 15 мм, в среднем сечении которых впаивалась тонкая пластина из пьезоматериала.

На рис.2 приведены типичные осциллограммы, на которых присутствуют переходные колебания на низшей собственной частоте образцов возникающие при их нагружении взрывом в воде. Обнаружено появление при колебаниях растягивающих деформаций.

В третьей серии экспериментов использовался кубический образец из оргстекла с ребром 18 мм и наклеенными на его гранях тензодатчиками, подвергавшийся нагружению взрывом лабораторных зарядов ТЭНа в водной среде. Было обнаружено наличие быстро затухающих переходных колебаний низшей собственной частоты и, как результат этого, появление в образце растягивающих деформаций. Максимальные амплитуды как сжимающих так и растягивающих деформаций, зафиксированных на различных гранях куба, были близки по величине.

В четвертой серии экспериментов использовался специально изготовленный удлиненный заряд конической формы, при помощи которого в водной среде создавался импульс давления большой амплитуды, но с затянутым фронтом нарастания давления. На рис.3 приведен характерный профиль давления такого импульса.

Образцы всех размеров оставались неповрежденными вплоть до давлений 90 МПа. Сделан вывод о зависимости порога разрушения от крутизны фронта нарастания давления в волне.

Рис. 1. Вид образцов из плавленного кварца после взрыва в воде, находившихся на расстоянии 10 см (верхний ряд) и 15 см (нижний ряд) от капсуля-детонатора.

е-10

I ...... г- ........ I ■

О 50 100 150 200 1, мкс

Рис. 2. Осциллограмма колебаний цинковых цилиндрических образцов длиной 15 мм (а) и 30 мм (б).

Р, МПа

Рис. 3. Осцилллограмма давления от взрыва в воде заряда конической формы, дающего затянутый фронт импульса.

и/Цо

Рис. 4. Амплитудно-частотные резонансные кривые пьезоэлемента в воздухе (1), воде (2) и пластилине (3).

В пятой серии экспериментов на пьезокерамических образцах, изготовленных из керамики ЦТС-19 в виде призмы размерами 8 х 8 х 16 мм оценивалась добротность образцов на низшей собственной продольной моде колебаний при размещении образцов в различных средах. Измерения проводились путем снятия кривых электромеханического резонанса на характериографе Х1-40. Вид кривых приведен на рис.4.

Величины добротности в воздушной среде составляли 30+50, в водной 15 + 20, при наличии покрытия из пластилина толщиной 5 мм 3 + 5. Сделан вывод о возможности демпфирования возникающих при нагружении образцов колебаний покрытием из пластилина.

В шестой серии экспериментов проведены опыты, аналогичные первой серии, но с использованием образцов, покрытых слоем пластилина. На расстояниях, где контрольные образцы без покрытия имели сильные разрушения (10 см от заряда), образцы с толстым покрытием (5 мм) никаких разрушений не имели. Тонкое (1 мм) покрытие лишь несколько снизило интенсивность повреждений образца по сравнению с контрольными. Создание вокруг образца толстого пластилинового экрана, отделенного от образца водной прослойкой, разрушения не предотвращало.

Сделан вывод о влиянии на разрушение именно вязких, демпфирующих свойств пластилинового покрытия. В этой же серии экспериментов получены осциллограммы колебаний пьезокерамической призмы при наличии покрытия и без него при нагружении взрывом в водной среде, иллюстрирующие эффект демпфирования колебаний, вызванный влиянием вязкого покрытия.

В седьмой серии экспериментов проверялась возможность возбуждения колебаний образцов при взрыве в твердой среде. Описаны осциллограммы двух опытов с зарядами ТЭНа массой 1 г и 3 г, размещенными в блоках кимберлита. Одна из этих осциллограмм приведена на рис.5. Образцы в виде призм из пьезокерамики вмуровывались в кимберлит плавким составом из тиосульфата натрия с песком на расстоянии 15 см от заряда. Выявлено возбуждение переходных колебаний. Затухание колебаний соответствовало величине добротности 0= 8+16. Проведен анализ спектров возбуждаемых колебаний. Сделан вывод о более высоком процентном содержании резонансных гармоник в импульсе заряда 1 г по сравнению с более крупным зарядом.

Спектр, соответствующий осциллограмме рис.5 представлен на рис.6.

Далее в работе обосновывается применимость модели одномерного затухающего осциллятора и критерия разрушения максимальным

растягивающим деформациям, при учете пространственной локализации деформаций в процессе колебаний, к описанию разрушения размещенных в среде кристаллов при импульсном воздействии. Предложен метод расчета

Рис. 5. Экспериментальная эпюра циклических деформаций пьезоэлемента под действием взрыва заряда ВВ массой 1 г в кимберлите.

АШ а.4в —

0.32

0. 21

в 50 100 150 283 250 300 358 400 450 1. кЯг

Рис. 6. Спектр экспериментальной осциллограммы деформаций пьезоэлемента при взрыве заряда ЗВ массой 1 г в кимберлите.

порогового давления разрушения при известных свойствах кристалла, профиле нагружающего импульса и величине затухания собственных колебаний.

Задача определения порога разрушения разбивается на две части: вначале производится оценка средней интенсивности возникающих в кристалле колебаний и, затем, с учетом коэффициента пространственной локализации циклических деформаций и уровня внешних сжимающих напряжений, производится оценка возможных локальных растягивающих деформаций, приводящих к разрушению.

Из экспериментальной части работы ясно, что возбуждается, как правило, низшая мода колебаний.

Исходя из этого, для оценки средней амплитуды переходных колебаний была выбрана наиболее простая модель одномерного осциллятора. Проводя аналогию, в модели принято, что смещение и массы одномерного осциллятора будет соответствовать половине взаимного смещения нагруженных торцов при продольной деформации стержня длиной а Жесткость упругого элемента к выбирается такой, чтобы в случае статического нагружения торцов стержня давлением Р вышеназванные смещения для стержня и модели совпадали. При этом й, а масса осциллятора выбирается такой, чтобы совпали

собственные частоты, т.е. ^ = 2р • • а / Л

Тогда "у т ^\\ К п , где - собственная частота,

Е - модуль Юнга, Р - плотность, 5' - сечение стержня, Ср . скорость продольной волны в стержне.

При таком выборе, величина и! а соответствует средней по длине деформации стержня £ .

Кроме вышесказанного, в модели осциллятора заранее вводится соответствующая экспериментальным данным величина затухания Л.

Уравнение колебаний затухающего осциллятора под действием

вынуждающей силы Ф(/) выглядит следующим образом:

и + 2Лй+Ю*и=Ф((), с начальными условиями и= 0, и = 0 при I — 0, где

(1)

ж-С

со - - -

а ' 2 Е т

Здесь P{t) - функция давления от времени;

- функция силы от времени;

$ - площадь поперечного сечения стержня; Ш - масса осциллятора.

Затухание Я связано с величиной добротности О, соотношением

^ 2Я 'откуда 2(2 ■

Для удобства анализа получаемого аналитически решения, был взят следующий конкретный вид функции нагружения

Р{Т) = Т-е^г),

(2)

где Т— ¿тах - время нарастания давления до максимума,

Щ=Р(Т)/ Ртах, Ат = Ртах / Е

В результате решения для случая ^ ^ ® о получено выражение вида

£ =

е-А В2

{/, • еСТ втсоТ-2{\-С)-е'ст соб(юГ) + /2 • е'т}

2 | ' ] ъ 3111 ил ¿-у I — ^) с IVI 12 е /(3)

(\ - сУ + с2 - в2

где '.=---, /2=[^Г + 2(1-С)], £=Я2-И-2С,

При анализе полученного выражения видно, что при коротком фронте нагружающего импульса (когда В мало) интенсивность колебаний высока, а при пологом фронте (большие значения В) колебания малы и реализуется квазистатический режим нагружения. Эти два случая иллюстрируются на рис. 7 и рис. 8. Сплошная гладкая кривая представляет собой нагружающий импульс, а наложенная на нее осциллирующая кривая - изменение деформации

кристалла в единицах £т-лх , где ¿„ах - статическая деформация кристалла

при давлении Ртзх . Из вида коэффициента В также ясно, что режим

нагружения кроме времени зависит также и от характерного размера

кристалла О., поскольку от него зависит частота ■ Чем меньше размер

кристалла, и чем выше скорость звука в нем, тем менее интенсивными будут переходные колебания при фиксированной длительности фронта волны .

Для прикладных целей разработана компьютерная программа расчета амплитуды колебаний, допускающая поточечное задание профиля взрывного импульса.

Далее обосновывается целесообразность выбора деформационного критерия разрушения кристаллов при сложном нестационарном режиме нагружения. Целесообразность такого выбора иллюстрируется сравнительным анализом данных различных авторов по пороговому давлению при разрушении образцов из различных материалов волной с крутым фронтом в водной среде. Как видно из Таблицы 1, при различии прочностных

А/Ао

Рис. 7. Эпюра деформаций колеблющегося кристалла (1) и эпюра нагружающего импульса (2) при С=0.

А/Ао

Рис. 8. Эпюра деформаций колеблющегося кристалла (1) и эпюра нагружающего импульса (2) при В=1 5, С=0. характеристик у таких материачов как алмаз и канифоль более, чем на два

порядка, значения их критических деформаций £кр = , усредненных по

Таблица 1

Материал Е, МПа Р, МПа

Алмаз 1,0-10'' 500 5.0-10"4

Берилл, аквамарин 1,2Т03 60 5,0-10"4

Плавленный кварц 7,3-104 50 6,8-10"4

Канифоль 6,8-10' 4 5,9-10ц

объему, оказываются весьма близкими.

Для применения критерия локальных растягивающих деформаций необходимо построить по рассчитанной средней деформации кристалла в процессе нагружения кривую возможных локальных значений деформаций.

В работе для осциллирующей части деформации кристалла принят

постоянный коэффициент пространственной локализации, равный ЛII. Такая концентрация напряжений имеет место при гармонических свободных продольных колебаниях цилиндра на низшей собственной частоте Фоновая компонента сжимающих деформаций считается равномерно распределенной по объему и изменяющейся в соответствии с профилем волны. Кривая возможных локальных деформаций строится следующим образом Путем вычитания "фоновой" компоненты деформации выделяется чисто

колебательная часть средней деформации кристалла и строится огибающая этих колебаний (гладкая кривая изменения амплитуды по времени). Затем амплитуда колебательной части деформаций умножается на коэффициент локализации и вычитается из кривой "фоновой" компоненты деформации. Результаты таких расчетов показывают (рис.9), что при крутом фронте нагружающего импульса за время одного- двух колебаний кристалла возможно появление локальных растягивающих деформаций, когда кривая возможных локальных деформаций уходит в область отрицательных значений. В случае, когда В не столь мало, начинает играть заметную роль скорость спада гидростатического давления в нагружающем импульсе (рис 10). Очевидно, что во всех случаях на появление локальных растягивающих деформаций также оказывает влияние скорость затухания колебаний.

Расчеты порогового режима нагружения кристалла берилла размером 6 мм и образца из стекла размером 20 мм взрывом заряда 1 г в воде приведены на рис. 9 и рис. 10.

При сопоставлении расчетов с данными экспериментов выяснилось, что получить хорошее согласие с экспериментальными данными при самых разнообразных условиях экспериментов возможно, если принять для кристаллических материалов (алмаз, берилл, гранат) критические значение локальных растягивающих деформаций в динамическом режиме равными

А/Ао

Рис. 9. Средняя деформация (1) кристалла берилла размером 5 мм, эпюра нагружающего импульса (2) и кривая локальных пиковых деформаций (3) (штриховой линией показана критическая растягивающая деформация).

А/Ао

Т, ШСБ

Рис. 10. Средняя деформация (1) образца из кварца размером 20 мм, эпюра нагружающего импульса (2) и кривая локальных пиковых деформаций (3) (штриховой линией показана критическая растягивающая деформация).

3 • 10-4, а для аморфных хрупких материалов типа стекла и канифоли - 5 • 10"4 единиц относительной деформации.

В диссертации приведены результаты и других расчетов, показывающие существенное повышение порогового давления разрушения при затягивании фронта волны, а также при увеличении степени демпфирования колебаний, соответствующие обнаруженным экспериментальным зависимостям.

Разработанный деформационный подход к оценке повреждаемости кристаллов предполагает наличие детальной информации как о форме и параметрах нагружающего импульса, так и о свойствах одного отдельно взятого кристалла с фиксированными размерами и физико-механическими характеристиками. Более широкие возможности анализа взаимодействия кристаллов с нагружающим импульсом появляются при использовании такого хорошо известного метода исследования резонансных явлений как спектральный анализ. Важным преимуществом этого метода является установление прямой взаимосвязи спектральных амплитуд исходного импульса и соответствующих им по частоте спектральных амплитуд колебаний кристалла. В этом случае по картине амплитудно-частотного спектра нагружающего импульса можно оценить диапазон резонансных частот наиболее вероятного разрушения кристаллов с соответствующими параметрами.

В работе обсуждаются и иллюстрируются конкретными примерами расчета основные спектральные закономерности возбуждения в кристаллах собственных резонансных колебаний.

Раскрывается связь спектрального состава нагружающего импульса с амплитудой возбуждаемых колебаний кристалла и, в конечном итоге, повреждающим действием взрыва. Приведены результаты расчетов, показывающие, что не только крутой фронт волны, но и любые периодические неровности профиля волны на околорезонансных частотах могут возбуждать колебания кристалла.

Приводятся расчеты усредненной деформации призмы из пьезокерамики, размещенной в кимберлите, при взрыве зарядов массой 1 г и 3 г, а также соответствующие им спектральные кривые. Кривая колебаний и соответствующий ей спектр для случая заряда массой 1 г приведены на рис. 11 и рис.12.

Результаты расчетов показали их хорошее соответствие экспериментальным зависимостям, показанным на рис.5 и рис.6.

Далее в работе обсуждаются перспективы и возможности практического использования результатов исследования.

В качестве основной области применения полученных в работе результатов назван прогноз повреждаемости кристаллов при планируемом

Рис. 11. Треугольный профиль нагружающего импульса (1), соответствующий взрыву заряда массой 1 г в кимберлите, и расчетная эпюра колебаний (2) пьезоэлемента размером 15 мм.

АШ 0.30 —

0.20

0.10

0.00

0 25 50 75 10В 125 15.4 175 200 225 №

Рис. 12. Расчетные спектры нагружающего импульса (1), соответствующего взрыву заряда массой 1 г в кимберлите, и вызванного им колебания (2) пьезоэлемента размером 15 мм.

предлагаемых новых конструкций зарядов. Обсуждается современное состояние инструментальных методов регистрации давлений и деформаций при взрыве в породе, наличие данных о существующих типах зарядов ВВ, а также возможности метода спектрального анализа при обработке данных о волнах напряжений, генерируемых этими зарядами ВВ в горном массиве. Информация о профиле волны или ее спектре является исходной при расчете повреждаемости кристаллов по предлагаемому в работе методу.

Также отмечено возможное применение разработанного подхода к проблеме оценки эффективности импульсных ультразвуковых медицинских аппаратов, разрушающих патологические включения ("камни") в органах человека.

Заключение

В диссертации предложено новое решение актуальной научной проблемы, заключающееся в выявлении закономерностей разрушения кристаллов ценных минералов при взрывном способе добычи и предложении метода прогнозной оценки повреждаемости кристаллов при различных условиях взрывания. Основные научные и практические результаты заключаются в следующем:

- установлено, что процесс деформирования кристаллов при воздействии на них взрывного импульса, носит колебательный характер с фоновой составляющей, повторяющей эпюру нагружающего импульса и циклической составляющей, имеющей частоту, близкую к частотам низших мод собственных колебаний;

- экспериментально обнаружена прямая связь разрушаемости кристаллов с амплитудой их циклических деформаций в процессе нагружения; амплитуда циклических деформаций кристалла тем выше, чем больше содержание резонансных гармоник в спектре нагружающего импульса;

- обоснован деформационный критерий динамического разрушения жестких включений, размещенных в плотной среде, под действием волны сжатия; колебания кристалла приводят к появлению в нем локальных растягивающих деформаций, вызывающих повреждения;

- экспериментально обнаружено и теоретически обосновано влияние демпфирующего воздействия среды на разрушаемость кристаллов: разрушаемость кристаллов тем выше, чем слабее демпфирование колебаний;

- разработан метод прогнозной оценки повреждаемости кристаллов, размещенных в плотной среде при импульсном нагружении и предложен способ экспериментальной сравнительной оценки повреждающего действия зарядов различных типов на кристаллы, включающий регистрацию профилей волны и анализ спектров.

Основные научные и практические результаты диссертации изложены в следующих опубликованных работах:

1.0 механике разрушения кристаллов при взрывном воздействии. /ФТПРПИ. - 1991,- N5. - Стр. 47-56 (соавтор Исаков А.Л.).

2. О проблеме прогнозирования повреждаемости кристаллов при взрывном воздействии в плотных средах. /ФТПРПИ - 1994. - N2. - Стр. 76-82 (соавтор Исаков A.JL).

3. Особенности поведения кристаллов в кимберлите и льде при ударно-волновом воздействии. /ФТПРПИ,- 1995. - Стр. 35-40 (соавторы Исаков А.Л., Крамсков Н.П., Шер E.H.).

4. Особенности и обоснование механизма разрушения кристаллов при ударно-волновом воздействии. - Сборник докладов 1-й Международной конференции по буровзрывным работам в строительстве. Москва, 1992 (соавтор Исаков А.Л.).