Направленное изменение фрактальной трещинной структуры и свойств пород поверхностно-активными веществами в процессах горного производства

• Автор: Еремизин, Артем Николаевич
• Шифр специальности: 25.00.20
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2012
• Место защиты: Екатеринбург
• Количество страниц: 165 с. : ил.

ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
1. АНАЛИЗ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ ПРОЦЕССОВ ТРЕЩИНООБРАЗОВАНИЯ И РАЗРУШЕНИЯ ГОРНЫХ ПОРОД ПОД ДЕЙСТВИЕМ ПОВЕРХНОСТНОАКТИВНОЙ СРЕДЫ
1.1. Теории прочности и разрушения горных пород
1.2. Гипотезы и концепции дробления горных пород взрывом
1.3. Использование фрактальной геометрии для описания трещинной структуры горных пород
1.3.1. Введение фрактальной размерности
1.3.2. Виды фрактальных размерностей
1.4. Методы изучения трещиноватости и разрушения горных пород
1.5. Направленное изменение свойств и состояния горных пород поверхностно-активными веществами
1.6. Постановка цели и задач исследований
2. ИССЛЕДОВАНИЕ ФРАКТАЛЬНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ТРЕЩИННОЙ СТРУКТУРЫ ГОРНЫХ ПОРОД
2.1. Объекты и методы исследования
2.2. Разработка микроскопического метода люминесцентной дефектоскопии горных пород
2.3. Изучение трещиноватости горных пород
2.4. Методика компьютерного анализа фрактальных характеристик трещинной структуры горных пород
Выводы
3. РАЗВИТИЕ ТРЕЩИННОЙ СТРУКТУРЫ В ПРОЦЕССЕ НАГРУЖЕНИЯ ГОРНЫХ ПОРОД
3.1. Постановка и результаты экспериментальных исследований
3.2. Развитие единичных трещин в процессе нагружения горных пород
3.3. Общая оценка трещинной структуры пород как фрактального объекта
3.4. Изменение геометрии трещин в процессе деформирования горной породы
3.4.1. Разработка математической модели процесса сближения берегов трещины
3.4.2. Оценка ширины зияния и площади контактов берегов трещин при их деформировании
3.5. Кластерный анализ развития трещиной структуры горных пород
Выводы

4. ПРОГНОЗ ИЗМЕНЕНИЯ ФРАКТАЛЬНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК, СВОЙСТВ
И СОСТОЯНИЯ ПОРОД В ПОВЕРХНОСТНО-АКТИВНОЙ СРЕДЕ
4.1. Выбор эффективных растворов ПАВ в их оптимальной концентрации
4.2. Изменение прочностных характеристик горных пород в поверхностноактивной среде
4.3. Влияние поверхностно-активных веществ на деформационные характеристики горных пород
4.4. Экспериментальные исследования развития трещинной структуры горных пород в поверхностно-активной среде
Выводы
5. ПРОГНОЗ РАЗРУШАЕМОСТИ ГОРНЫХ ПОРОД
5.1. Критерий хрупкого разрушения горных пород
5.2. Фрактальное представление коэффициентов интенсивности напряжений, трещиностойкости и трещинодвижущей силы
5.3. Закономерности зарождения и развития трещин
5.4. Оценка прочности и неоднородности трещинной структуры горных пород
5.5. Прогноз эффективности разрушения горных пород невзрывчатыми разрушающими составами (НРС)
5.6. Прогноз эффективности дробления горных пород взрывом
5.7. Практическое использование результатов исследований
Выводы
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

ВВЕДЕНИЕ
Актуальность темы. Разрушение горных пород является определяющим процессом технологии разработки месторождений полезных ископаемых, изучению которого посвящены многочисленные работы, формирующие отдельное бурно развивающееся направление научных исследований. До настоящего времени единой работоспособной теории разрушения пород взрывом не создано, однако общепризнано, что главным фактором является образование новых поверхностей в ходе зарождения и развития трещин. Известные методы изучения трещиноватости пород обычно рассматривают трещины как линейные структуры, что не соответствует их природе. Представляется весьма плодотворным исследовать трещинную структуру горных пород с фрактальных позиций. Это позволяет не только определить реальную геометрию трещин, но и в более широком смысле оценить самоподобие трещинной структуры как фундаментальное свойство природы.
Перспективным средством интенсификации трещинообразования и, следовательно, разрушения горных пород является использование поверхностноактивных веществ (ПАВ). Действие ПАВ основано на адсорбционном понижении поверхностной энергии тел (эффект Ребиндера). В последнее время получены положительные результаты использования ПАВ для повышения эффективности буровзрывных работ при разработке месторождений полезных ископаемых. Для успешного распространения этого опыта необходима разработка теоретических и методических основ прогноза эффективности действия поверхностно-активных сред. Одним из таких направлений является изучение роли эффекта Ребиндера в развитии трещиноватости горных пород.
Все вышеизложенное определяет актуальность данной темы исследований.
Диссертация выполнялась в соответствии с поисковой научно-исследовательской работой «Направленное изменение фрактальных характеристик, свойств и состояния пород поверхностно-активными веществами в процессах горного производства» в рамках реализации ФЦП «Научные и научнопедагогические кадры инновационной России» на 2009 - 2013 годы.
Объект исследования - трещинная структура и свойства скальных горных пород.
Предмет исследования - закономерности изменения свойств и фрактальных характеристик трещиноватости пород в поверхностно-активной среде.
Цель работы - обеспечение надёжности прогноза прочности и разрушаемое™ горных пород на основе учёта фрактальных характеристик их трещинной структуры.
Идея работы заключается в использовании закономерностей изменения фрактальной трещинной структуры горных пород под действием ПАВ для прогноза характеристик их разрушаемости.
Тема исследования соответствует паспорту специальности 25.00.20 (пп. 3, 6).

10 минут после нанесения флуоресцентный состав удаляется с поверхности образца сильной струей проточной воды, затем поверхность подвергается сушке. У обработанного образца горной породы на исследовательском стенде, состоящем из микроскопа МБС-10, цифрового фотоаппарата Бопу Б8С-’У200 и ультрафиолетового облучателя с длиной волны 35(Н400 нм, производится определение характеристик расположения трещин.
Для дальнейшего развития метода необходима разработка компьютерных процедур фиксации координат трещин и программ анализа закономерностей трещинной структуры горных пород с учетом динамики развития нарушений в ходе нагружения образцов.
1.5. Направленное изменение свойств и состояния горных пород поверхностно-активными веществами
Свойства и состояние горных пород определяются их минеральным составом и строением и в значительной мере их трещинной структурой. Перспективным средством управления процессами зарождения и развития трещин служат поверхностно-активные вещества (ПАВ). Поверхностно-активными называют вещества, положительно адсорбирующиеся на поверхности раздела фаз, т.е. образующие на поверхности адсорбционный слой [163]. Основанное и разработанное П. А. Ребиндером фундаментальное научное направление - физикохимическая механика изучает связь механических свойств дисперсных систем и материалов с их структурой и явлениями, протекающими на границе раздела фаз. Труды П. А. Ребиндера и его последователей [99, 146, 180, 183] заложили теоретический фундамент для создания методов управления механическими свойствами материалов с помощью поверхностно-активных веществ. П. А. Ребиндер первым связал адсорбционные процессы, происходящие на поверхности раздела, с механическими свойствами твердых тел [148]. Впоследствии это явление было названо «эффектом Ребиндера» [40].
Адсорбция приводит к аномально высокой концентрации вещества (ад-сорбата) из газообразной или жидкой среды на поверхности ее раздела с жидкостью или твердым телом (адсорбентом) [163]. Молекулы адсорбата связываются с атомами поверхности дипольным (физическая адсорбция) или обменным взаимодействием (хемосорбция). При этом с ростом температуры скорость физической адсорбции уменьшается в силу увеличения подвижности молекул адсорбата, в то время как скорость хемосорбции обычно возрастает из-за ускорения химических реакций.
Зависимость количества адсорбированного вещества от концентрации его в растворе при постоянной температуре называется изотермой адсорбции. В общем случае на изотерме адсорбции выделяют три ее участка, соответствующие трем этапам адсорбции: образование мономолекулярного слоя, полимоле-кулярная сорбция, капиллярная конденсация [41]. На первом этапе молекулы адсорбата покрывают всю доступную им поверхность твердого тела (поверхность трещин и пор, контакты минеральных зерен), образуя одномолекулярный адсорбционный слой. Этот процесс приводит к уменьшению удельной поверх-