ИННОВАЦИИ БИЗНЕСУ

Результат выполнения научно-исследовательской работы.

Исследования механических свойств горных пород, проведенные за последние десятилетия в натурных условиях, показали их отличие от механических характеристик образцов твердых тел и горных пород, полученных в лабораторных условиях.

В образцах, вырезаемых из массива, происходят быстрые процессы изменения плотности, прочности, цвета, превращения химических связей, уменьшения потенциальной энергии всех уровней.

Часть массива, соответствующая по своему объему размеру образца, участвует в естественных условиях в строении Природы, то есть взаимодействует с окружающей средой основными силами Природы.

В настоящее время используются геофизические методы исследования массивов, основанные на применении ЭМИ горных пород. Разработаны методы контроля состояний массивов с использованием приборов ЕГ-6 (ВНИМИ), РВИНДСа (лаборатория ЭДИП ТПИ), аппаратуры контроля трещинообразования в горных породах (ИУУ СО РАН), ИФЭ-1 и ИФЭ-2 (КузПИ), ДРГЗ-01 и ДРГЗ-02 (ПО «Изотоп»).

В натурных условиях глубоких подземных выработок (Таштагольского рудника) определяют прочности компонентов следующим образом. С помощью измерителей фотонной эмиссии на фиксированных частотах регистрируют электромагнитное излучение в широком диапазоне частот. Данный метод позволяет избавиться от промышленных помех при измерениях в радиочастотном диапазоне 1-120 кГц. Измерениями гамма -, рентгеновского, оптического и различных участков радиодиапазонов установлено, что электромагнитное излучение компонентов литосферы состоит из диапазонов частот, отличающихся друг от друга по значениям своих величин в 137 или ^-1 раз, табл.1. При этом значения излучений атомов, минеральных частиц, микро и макроблоков образуют по три диапазона.

По данным экспериментальных результатов установлены зависимости между геометрическими и энергетическими величинами регистрируемых фотонов и соответствующими величинами излучающих их компонентов разрушаемых массивов

, (1)

гдеl=a^-1- расстояния взаимодействий;r_k- радиус компонента;l_ф- длина волны фотона.

Радиусы компонентов можно теоретически рассчитывать с использованием формулы:

r_k=a^-kr_е(2)

гдеr _e-радиус электрона; к - количество диапазонов (К = 1,2,3,…,9,10).

Определенные экспериментально и рассчитанные по формуле (3) радиусы компонентов являются радиусами атомов, минеральных частиц, микро - и макроблоков, плит, то есть - компонентов литосферы Земли. Внутри массива горных пород на больших глубинах электроны атомов, локализованные в определенных диапазонах, взаимодействуют: ближние к ядру своего атома - в основном с голыми ядрами, внутренние - между собой и с ядрами своих и частично соседних атомов, валентные - с ядрами своих и соседних атомов.

С увеличением рассматриваемого пространства взаимодействий общая энергия атомных связей быстро растет, ядра атомов взаимодействуют с электронными оболочками соседних атомов, образуя кристаллики (ячейки), которые в свою очередь образуют минералы, последние - минеральные частицы и т.д. при этом растет число диапазонов:

Е =b^km _ec ² (3)

где Е - потенциальная энергия связи;b= 1,2,…,137-1,2,…,136 - возможное количество связей компонента, локализованного в диапазоне,b= 1,2,…,137 - возможное количество компонентов в диапазоне (каждый компонент может иметь от одного до 136 энергетических состояний, 137-м состоянием является его энергия покоя - удельная энергия);m_е- масса электрона; с - скорость света в вакууме.

Следовательно, естественные постоянныеa^-1иbсоответственно характеризуют размеры диапазонов пространства взаимодействий и энергетические состояния в них компонентов, другими словами - строение и состояние земной коры.

Из табл. 1 видно, что с увеличением размеров компонентов значения их прочностей убывают. Для шахтной практики наибольший интерес представляют малые и средние блоки с размерами от 0,02 до 350 м с реальной прочностью от 7Ч10 ⁶ Па до 3,7Ч10 ⁶ Па.

Устойчивость горных выработок характеризуют размеры и прочности блоков, из которых сложены массивы, то есть прочности блоков, размеры которых в 2-3 раза превосходят средние размеры сечений горных выработок [4].

Прочности компонентов литосферы рассчитываются из соотношений:

(4)

гдеs- прочность компонента литосферы;v- объем компонента;
l=r _ka^-1=r _la^-k- радиус-вектор (расстояние взаимодействий).

Таблица 1

Прочности компонентов литосферы Земли

В горно-добывающих отраслях промышленности нет задач, связанных с определением энергии, необходимой для разрушения (разделения) 1 м ³ горных пород на атомы или на электроны и ядра внутри массива. События с выделением такой энергии, вероятно, возникают при взрыве звезд и входят в круг интересов астрофизиков. Однако, при описании прочности любых естественных объектов, в рамках теории единой материи, в граничных областях мы сталкиваемся с очень малыми и с очень большими телами. И то, что массивы пород шахтного поля, месторождения, земной коры могут быть фрагментами единой картины мира, убеждает нас в правильности наших представлений о строении и состоянии материи.

, (5)

где Е_vтеор.- объемная плотность энергии связи, определенная теоретически; Е_vэксп.- объемная плотность энергии связи компонента, определенная экспериментально.

Теоретическая объемная плотность энергии связи представляет энергию химических и атомных связей, связей кристаллических ячеек, минералов и др. компонентов, иерархия взаимодействий которых учитывается с использованием коэффициентовa^-kиb.

Экспериментальная объемная плотность энергии связи - энергии разрушения меньше теоретической энергии связи за счет разрывов атомных связей, образования дислокаций, пор, микротрещин и др. дефектов, ослабляющих и нарушающих плотность структуры компонентов. При этом объемная плотность энергии реальных пород меньше объемной плотности их теоретической энергии, определенной с учетом всех возможных связей, примерно от 30 до 220 раз для исследованных литотипов пород, табл. 2.

Уточненные значения прочностей блоков используются при определении их степени удароопасности и устойчивости горных выработок[4].Устойчивость горной выработки характеризуют блоки, размеры которых превосходят площадь сечения выработки в 2-3 и более раза и через которые проходит выработка. Выработка устойчивее, если эти блоки сложены из более плотных пород. Здесь можно использовать способы прогноза степени удароопасности блоков. Выработки не устойчивы, если размеры меньше или соизмеримы с размерами сечения выработки, в особенности, если блоки сложены из слоистых и неплотных пород. Такие блоки, при повышении нагрузки со стороны больших блоков, могут быть разрушены и выброшены в выработку.

Таблица 2

Физико-механические параметры горных пород Таштагольского месторождения

В естественных компонентах Природы, взаимодействующие силы локализованы по уровням в диапазонах: например, в ядре нуклон может взаимодействовать от одного до 136 другими нуклонами электрическими силами валентных кварков, после чего величины энергий связи достигают величины удельной энергии, в атоме электрон может взаимодействовать от одного до 136 другими электронами (протонами), в кристалликах (ячейках) атомы также могут иметь от одного до 136 связей с другими атомами, в минералах подобным образом ведут себя кристаллики, а в минеральных частицах - минералы и т.д., механизм взаимодействий компонентов повторяется до мегаблоков и плит.

С точки зрения прочности при разрушении ядер преодолеваются силы взаимодействия между нуклонами, при разрушении атомов разрываются связи между электронами и ядрами, при разрушении кристалликов - между атомами, при локальном дроблении плит - между блоками.

Если при разрушении атомов внешними силами основную роль играют электрические силы связей между электронами и ядрами, при разрушении кристалликов участвуют еще и микродефекты, при разрушении минеральных частиц - поры и микротрещины, при разрушении микроблоков - системы микротрещин и трещин и т.п.

При увеличении размеров компонентов меняются длительности времени их взаимодействий от 10 ^-11с (электроны) до 0,1с (плиты).

Заявка на изобретение 98108050/28-(009077) от 24.04.98 «Способ определения прочности компонентов литосферы Земли».