ИННОВАЦИИ БИЗНЕСУ

Результат выполнения инициативной научно-исследовательской работы.

Основными вопросами, рассматриваемыми в данной работе, являются состояния (энергии связи, энергетические уровни) и строение (размеры, расстояния взаимодействий) компонентов массивов пород (плиты, макро- и микроблоки, минеральные частицы, атомы). Компоненты, участвующие в естественном строении Природы и взаимодействующие между собой с помощью гравитационных, электрических и сильных ядерных сил, являются основным объектом исследований.

Исследования компонентов выполнялись с использованием геоэмиссии - вынужденного излучения фотонов в натурных условиях в гамма-, рентгеновском, ультрафиолетовом, оптическом и радио-диапазонах, сопровождаемого эмиссией нуклонов и электронов, диспергированием частиц, стрелянием и выбросом кусков пород, являющихся квантами соответствующих уровней диапазонов физических полей.

Динамические проявления массивов горных пород зависят от геологических и горнотехнических факторов, обусловленных интенсивностью тектонических процессов и динамики развития горных работ. Проблемы прогноза и предотвращения горных ударов и предсказания землетрясений имеют научное и социально-экономическое значение. (Батугина И.М., Петухов И.М. Геодинамическое районирование месторождений. - М.: Недра, 1988. - 166 с.). Поэтому исследования динамических проявлений массивов горных пород в виде горных ударов и выбросов и разработка на их основе методологических предложений, направленных на решение технологических вопросов при строительстве и эксплуатации глубоких рудников в условиях удароопасных месторождений, являются актуальными.

Напряженное состояние массива оценивается следующими известными методами: по поведению пород и руды в процессе проведения выработок, по деформациям горных пород, по усилиям вдавливания индентора, по физическим характеристикам массива руды и пород. При локальном прогнозе горных ударов определяют расстояние от контура выработки до максимума механических напряжений - х, одним из методов определяют величину максимума механических напряжений -yи распределение механического поля напряжений в зоне опорного давления. Напряженно-деформированное состояние локального участка массива пород оценивается с использованием, например, методов электрометрии, дискования керна и других, косвенно. При этом можно определить участок с повышенным геомеханическим напряжением, оценить степень его ударопрочности.

Наиболее перспективным является метод, основанный на регистрации фотонной эмиссии (ФЭ), позволяющий исследовать структуру излучающей ее среды, так как энергии фотонов с граничной частотой равны энергиям соответствующих основных уровней атомов (Эрдеи - Груз Т. Основы строения материи. - М.: Мир,1976. - С. 40-68).

С помощью измерителей фотонной эмиссии регистрируют ФЭ в широком диапазоне частот: в радиодиапазоне с помощью ЕГ-6 (ВНИИМИ) и РВИНДСа (лаборатория ЭДИП ТПИ), в оптическом ИФЭ-1М и ИФЭ-2М (КузГТУ), в рентгеновском и гамма-диапазонах - ДРГ3-01 и ДРГЗ-02 (ПО «Изотоп», Свердловская область).

Регистрация сигнала осуществлялась в радиодиапазоне с помощью антенн, в оптическом - датчиков, снабженных различными типами фотоэлектронных умножителей (ФЭУ), соответственно через образцовые светофильтры, кварцевое окно, черную плотную фотобумагу, в рентгеновском и гамма диапазонах - через фольгу, литиевую пластину, сцинтилляторы воздухоэквивалентные и ирисовую диафрагму. Токовые и счетные характеристики ФЭУ-83, ФЭУ-112 изучались на заводе «Экран» г. Новосибирска, где в Западно-Сибирском центре стандартизации производились также поверки приборов ДРГЗ-02 и ДРГЗ-01. Аттестация приборов ИФЭ-1М и ИФЭ-2М выполнена в ВостНИИ г. Кемерово, градуировка их с помощью ИМО-2Н - в КемГУ.

В работе исследование ЭМИ осуществлялось с помощью оптических датчиков, снабженных механическими устройствами для установления величины площади изучаемой поверхности горной выработки и скважины. Общая длина исследованных скважин и горных выработок с 1983 года по 1991 год составляет около 8Ч10 ⁴ м. Измерения выполнены в условиях удароопасного Таштагольского рудника на глубине 500 - 800 м.

По величинам регистрируемых длин волн фотонов (или частот), излучаемых компонентами, определяют их размеры и расстояния взаимодействий.

, (1)

гдеa=1/137;k =0,1,2,…,10;r _e -радиус электрона;r _к -радиус компонента, (Медведев Б.В. Начала теоретической физики. - М.: Наука, 1977. - С. 322-325). По номеру -kдиапазона определяют энергию связи компонента.

, (2)

гдеb=1, 2, …, 137 - возможное число связей компонента в диапазоне (b_м=137 -максимальное число взаимодействующих компонентов, сумма их энергий связи равна энергии покоя одного компонента, например электрона,b_м=a^-1= 137 - характеризуют размер диапазона).

Расчет энергии связи компонента позволяет определять точные значения энергии разрушения - разрыва связей между компонентами данного вида. На рудных месторождениях основные технологические операции по вскрытию, строительству и эксплуатации рудников связаны со взрывными работами с использованием взрывчатых веществ (ВВ). При известных значениях энергоемкости используемого типа ВВ и энергии, необходимой для разрушения единицы объема породы, табл.1, можно рассчитывать более экономичные технологические операции ведения горных работ, повышать эффективность разработки месторождения.

Параметры энергий связи компонентов Е, расстояний взаимодействийlи размеров компонентов являются параметрами компонентов литосферы Земли приk= 1, 2 …,10, а также основными параметрами прогноза степени удароопасности массивов горных пород, поскольку объемная плотность потенциальной энергииe[Дж/м ³]соответствует геомеханическому напряжениюd[Па],предельные значения Е _разр. - энергиям связи Е _{св .}

ФЭ в радиодиапазоне, с целью избавления от помех, регистрируют на фиксированных частотах

(3)

Затем определяют радиусы компонентовr_к=l_f/(2pa^-1) ирассчитывают механические прочности компонентов уравнения:

(4)

Для более точного определения прочностей компонентов необходимо учитывать коэффициенты структурного ослабления горных пород:

К _с.о.. = Е_vтеор./Е_vэксп.(5)

Прочности горных пород Таштагольского рудника с учетом К _с.о. уменьшаются от 30 до 220 раз.

Устойчивости массивов вокруг горных выработок характеризуют прочности блоков, размеры сечений которых в 2-3 раза и более превосходят средние размеры сечений горных выработок. Устойчивости выработок выше, если блоки сложены из более прочных и плотных пород.

С увеличением размеров блоков их прочность уменьшается.

Отношение объемной плотности опасной потенциальной энергии горных пород к объемной плотности энергии, необходимой для их разрушения, В^ў= Е_n/Е _р представляет показатель удароопасности. Разрушение пород рудника происходит при значениях В^ўот 0,68 (туфосланцы) до 0,92 (железная руда с содержанием железа до 65 %).

Таким образом, разработка теории с применением только фундаментальных констант и двух безразмерных естественных постоянныхa^-1иb, независящих от выбора масштаба физических стандартов и природы сил взаимодействия, впервые представляет общий физический язык для объединения естественных наук и основу методики для практической деятельности человека, поскольку теория одинаково справедлива для вещества и поля и верна для всех четырех основных видов сил Природы.

Методика позволяет предсказывать (рассчитывать) основные параметры компонентов земной коры и определять их экспериментально.

Таблица 1

Энергетические характеристики некоторых взрывчатых веществ,
магнетитовой руды и ее компонентов (на глубине 800-1000 м)