ИННОВАЦИИ БИЗНЕСУ

Результат выполнения научно-исследовательской работы, который может применяться в естественных науках.

Цель - разработка и обоснование квантовофизической теории фотонной геоэмиссии, позволяющей предсказывать возможные динамические состояния массивов горных пород.

Новизна - использование естественных физических величин и закономерностей, установленных на основе исследований в натурных условиях физических процессов деформирования и разрушения массивов горных пород методом фотонной геоэмиссии.

Техническая характеристика - использовались измерители фотонной эмиссии (ФЭ), позволяющие регистрировать ФЭ в радиодиапазоне 5…120 Гц, в оптическом диапазоне (2,5 Ч10 ¹³ … 5 Ч10 ¹⁵ Гц), в рентгеновском (10 ¹⁸ … 5 Ч10 ¹⁹ Гц) и в гамма- диапазоне (5 Ч10 ¹⁹ … 1 Ч10 ²¹ Гц).

Экстремальные проявления горного давления в рудных шахтах характеризуются двумя сопровождающими их физическими факторами - это взрывоподобное разрушение холодных пород и большая интенсивность электромагнитного излучения, сравнимая при горном ударе с блеском молнии. Очевидцы подобное свечение наблюдали в 1982 г. во время горного удара в 18 орте горизонта -210 м, в 1986 г. - в орте 10 горизонта -140 м.

При одновременном давлении нескольких факторов - вертикального давления, тектонического («горизонтального») давления и ведения горных работ - среднее горное давление на отдельных участках может превышать среднюю прочность горных пород на нижних горизонтах (1,5 Ч10 ⁸ … 8 Ч10 ⁸ Па) на несколько порядков. При этом, в зависимости от глубины положения очага опасной потенциальной энергии относительно контуров в горных выработках могут возникать динамические проявления от стреляний краевых частей пород (откалываний в виде дисков) до собственно (наибольшего по мощности) горного удара.

В настоящее время энергия очагов горных ударов оценивается по данным сейсмодатчиков и после проявления по объему произведенных ими разрушений массива горных пород.

При хрупком разрушении горных пород наблюдаются эмиссионные явления. Электромагнитное излучение в радиодиапазоне возникает за счет квантованного изменения величины свободных зарядов микро- и макроблоков при их деформировании и разрушении.

Оптическое излучение обусловлено изменениями состояний внешних электронов атомов, поэтому возбужденные ионы имеют спектр низкочастотной части оптического излучения.

Возбуждение внутренних электронов атомов сопровождается излучением высокочастотных спектров ультрафиолетовых диапазонов. Чем ближе электрон к ядру, тем выше излучаемая им при переходах частота и сильнее связи с ядром.

Рентгеновское излучение исходит из внутренних, ближних к атомному ядру двух электронных оболочек - начинается со второй половины диапазона первой оболочки и заканчивается на первой половине диапазона второй оболочки, вторая половина которой связана с g- излучением. (Здесь, можно предположить, что данные излучения связаны с внутренней структурой электрона или с его собственным возбуждением, связанным с электрическим возбуждением ядра).

В породах, включающих радиоактивные элементы, существует спонтанное, естественное, устойчивое гама- излучение. Гамма- кванты, сталкиваясь с атомами пород на берегах трещин, выбивают из них световые фотоны.

В горных выработках в условиях динамики массивов пород регистрируются вышеперечисленные диапазоны ФЭ. Фоновое излучение наблюдается и при спокойных состояниях массивов, окружающих горные выработки. Оно связано с процессами образования микротрещин на поверхностях пород, релаксацией возбужденных зерен минералов, отдельных химических элементов, ионизации молекул воздуха (рудничного газа) быстрыми электронами, вылетающими со стенок микротрещин.

В зависимости от степени деформирования и стадии разрушения макро- и микроблоков, а также от степени возбуждения минеральных частиц, атомов и их структур, ФЭ может испускаться отдельными фотонами, импульсами - пачками фотонов и непрерывным потоком фотонов.

При образовании микротрещин, в зависимости от их величин, излучаются импульсы различной амплитуды и длительности, состоящие из «пачек» фотонов различной интенсивности. Релаксации элементарных возбуждений, возникающих на поверхности спрессованного массива при экстремальных значениях горного давления, сопровождаются непрерывным потоком фотонов.

В создании свечения, вызываемого хрупким разрушением пород, участвуют процессы нескольких видов свечений, как трибо-, электро-, катодо- и хемилюминесценции. Общее свечение пород и руд представляет механолюминесценцию или ФЭ, сопровождаемую выбросом соответствующих частиц.

.В разработке использовались принципы, которые в обобщенном аналитическом выражении имеют вид:

Dl = r _ea^-k = Dl_фЧ(2 p) ^-1, (1)

где Dl - радиусы взаимодействий; r _e - радиус электрона; a^-1 = 137 - постоянная строения компонентов; - k = 1,2, …, 9 - номер диапазона, l_ф - длина волны фотона и

Е = b^k m _ec ², (2)

где Е - энергия связи (разрушения) компонента; b = 1,2, …, 136, 137 - 1.2, …, 136 - возможное число связей локализованного в диапазоне компонента, b_макс. = 137 - максимально возможное число взаимодействующих компонентов; m _e - масса электрона;
с - скорость света в вакууме; a^-1 = b_макс. = 137. Номера диапазонов - k и k составляют
1,2, …, 9.

Установлена зависимость между геометрическими и энергетическими параметрами регистрируемых фотонов и величинами излучающих их компонентов деформируемых и разрушаемых массивов, что позволяет оценивать масштабы и энергии возможных разрушений.

Формулы (1) и (2) использовались в отчетных работах по выполнению НИР (хоздоговорных).

Разработка используется в горнорудной промышленности, а также в естественных и прикладных науках, защищена а.с. СССР и патентами РФ (а.с. №№ 1385720, 1462891, 1276829 и др.; патенты РФ №№ 1798499, 1717817, 1703815, 2159452 и др.).