Метакса
А.С.
Динамические явления при обработке минералов в перекрестных
полях разной природы
Институт Горного дела им. Д. А. Кунаева РГП «НЦ КПМС»
МИТ РК
050046, Казахстан, г. Алматы, пр. Абая 191
Выявлен эффект последействия при разрядке накопленных
напряжений в перекрестных полях разной природы. Особенности трещинообразования,
выявленные при моделировании процессов разрядки, позволяют обосновать физические
предпосылки для описания механизма
возникновения эффекта последействия.
Эффект зональной дезинтеграции горных
пород вокруг выработок выявлен в 1991 г. [1]. Применительно к одиночной
выработке явление зональной дезинтеграции сводится к образованию зон
нарушенности массива, границы которых образуют геометрическую прогрессию со
знаменателем 
, причем «ложные» контуры как бы повторяют контур самой
выработки.
Как тригонометрическая функция величина «
» характеризует отношение гипотенузы к прилежащему катету
(секанс Ð 450) или
косеканс угла (450 отношение
гипотенузы к противолежащему катету) [2].
Известно, что геометрическая прогрессия
предполагает последовательность чисел, в которой отношение между последующим и
предыдущим членами остается неизменным. Это неизменное отношение называют
знаменателем прогрессии. В химии такие соотношения обуславливают эффект
мультиплетности [3], в квантовой механике ряд целочисленных соотношений
описывают связь величин, характеризующих системы и частицы, с физическими величинами,
непосредственно измеряемыми на опыте [4].
Кратность геометрической прогрессии корню
из двух особенно значима в случаях нарушения целостности горного массива. Подтверждением
этому служат эксперименты по изучению взаимодействия основных процессов накопления
напряжений в момент воздействия, а так же разрядки их после снятия внешней
нагрузки («триггерные эффекты» при замерах акустической эмиссии [5]).
Горный массив, находящийся в условиях
динамического равновесия, подвергается циклическим нагрузкам, обусловленным
вращением Земли и перемещением ее в пространстве, т.е. находится в перекрестных
полях разной природы. Изменение любого параметра этой уравновешенной системы
можно описать с помощью основных законов небесной механики [4]. Изменение
состояния блоков литосферы в ответ на внешние воздействия исследуются в
сейсмологии [6].
Известны работы по изучению
природных полей напряжений разрабатываемых месторождений во взаимосвязи с
геологоструктурными особенностями строения залежей. В работе [7] показано, что
возникающие поля напряжений имеют значительные отличия в субширотном и
субмеридиальном направлениях. Эти объективные предпосылки явились обоснованием
для постановки эксперимента по моделированию процессов разрядки напряжений в
перекрестных полях разной природы.
В процессе эксперимента условия
перекрестных взаимодействий обеспечивали, подавая ультразвуковые механические
колебания на твердый образец с флюидосодержащей смесью. А поперечное
воздействие осуществляли с помощью импульсных электромагнитных колебаний,
согласованных по частоте с колебаниями генератора УЗВ. Согласование частот было
кратным
nэм –
частота импульсного генератора;
nмех –
частота механических колебаний пьезоэлемента.
Обработку вели до появления первой
магистральной трещины т.е. ~ 40-50
часов суммарной наработки. Затем схему отключали, освобождали кювету от флюида
и наблюдали в состоянии покоя трещинообразование в течение 3-4 месяцев после
воздействия. В первые 30 дней наблюдений видоизменялась магистральная трещина –
ее поперечный размер постепенно увеличивался от 40 mкм до
0,5 мм неравномерно по всей ее длине. Ширина ее максимально составляла 2 мм с
разрывом сплошности в боковой стенке кюветы в зоне расположения электрода
импульсного генератора. Затем практически одновременно начали появляться
микротрещины без разрывов сплошности контакта по внешнему радиусу
пьезоэлемента, характерность рисунка их аналогична распределению магнитных
силовых линий, что может свидетельствовать о появлении разнозаряженных
структурных неоднородностей.
Следующий этап разрядки накопленных
напряжений сопровождается появлением геометрически правильных полуокружностей,
сформированных из сетки трещин, находящихся вблизи «горячего» электрода импульсного
генератора. Почти одновременно с этим явлением возникает поперечное по
отношению к магистральной трещине трещинообразование («квазисиловые» линии)
внутри пространства под пьезоэлементы.
Трещины, возникающие в прибортовом
пространстве кюветы, имеют разнонаправленное строение, в местах стыка
поперечных полос видны узловые сочленения, порождающие серию новых макро- и
микротрещин, рисунок которых напоминает характер дендритообразования при
застывании металлических расплавов, т.е. на более крупной трещине формируется
ряд равнорасположенных перпендикулярных ей новых микротрещин. Статистическая
обработка угловых соотношений показывает преобладание углов 900 и 35¸450 между первичными и вторичными
трещинами.
Расстояния до семейства «полюсных» трещин
от пьезоэлемента подчиняется геометрическому соотношению прогрессии 
, (производные механических воздействий), а геометрическая
пропорция между радиусом пьезоэлемента и кольцевыми трещинами вблизи активного
электрода импульсного генератора кратна удвоенному соотношению 
.
Из приведенных данных видно, что каждый
вид воздействия формирует индивидуальный разновременный отклик (последствие) на
внешнее воздействие путем трещинообразования по определенному закону:
- магистральная трещина возникает от
одновременного воздействия электрических и
механических колебаний и, по-видимому, является результатом наложения
продольных и поперечных стоячих волн, т.к. расположена практически посередине
кюветы;
- формирование семейства полюсных
микротрещин вокруг места крепления пьезоэлемента является результатом разрядки
накопленных механических напряжений, т.к. видна круговая ориентировка основных
плюсов сжатия и растяжения и по касательной к ним распределены вторичные
миктротрещины;
- появление микротрещин, перпендикулярных
магистральной трещине в области крепления источника механических колебаний
может свидетельствовать о поляризационном (электрическом) механизме их
возникновения, т.к. наибольшая их интенсивность наблюдается вблизи одного из
полюсов разнородных напряжений (сжатия – растяжения);
- спектральный состав процессов
последствия при разрядке напряжений может быть определен по закону Кеплера. При
этом пространственно-временные соотношения находится в области ИК-тепловых (> 1010 Гц), УЗВ (> 107 Гц) и инфразвуковых процессов.
Периоды полной разрядки находятся в пределах от 8 суток до 0,5 гола, в
зависимости от размеров образца;
- физическая природа проявлений эффекта
последействия, по-видимому, связана, с соотношениями параметров скоростей
распространения продольных волн, составляющих массив горных пород, т.к.
соотношение корней квадратных скоростей звука гранита и воды равно 2, а между
водой и воздухом существует точно такое же соотношение. Корень квадратный из
двух (
) предполагает равенство катетов в треугольнике сил, что
геометрически означает секанс угла 450, что и наблюдается при
моделировании эффекта последействия.
Литература
1.
Открытие №400 /Опарин
В.Н. и др., 1991. ИГД, г. Новосибирск.
2.
Выгодский М.Я.
Справочник по элементарной математике. – М., Наука, 1986, 320 с.
3.
Баландин А.А.
Современное состояние мультиплетной теории гетерогенного катализа. – М, Наука,
1968, 202 с.
4.
Яворский Б.М., Детлаф
А.А. Справочник по физике. М., 1974, 942 с.
5.
Куксенко В.С., Манжиков
Б.Ц., Тилегенов К. и др. Триггерный эффект слабых вибраций в твердых телах.
ФФТ, 2003, Т.45, вып.12, С. 2182-2187.
6.
Курскеев А.К.
Геофизические неоднородности литосферы. Алматы, 1996, 168 с.
7.
Чабдарова Ю.И., Жужгов
Ю.Р., Букин А.Н. Горное давление в антиклинальных структурах Джезказгана.
Алма-Ата. Наука, 1980, 195 с.