Введение к работе
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 поверхностно-активных 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 научно-педагогические 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).
Основные задачи исследования:
Совершенствование микроскопического метода люминесцентной дефектоскопии и изучение трещинной структуры горных пород.
Разработка компьютерной технологии определения фрактальных характеристик трещиноватости горных пород.
Изучение динамики развития трещинной структуры горных пород в процессе их нагружения.
Исследование действия поверхностно-активной среды на фрактальные характеристики, свойства и состояние горных пород.
Аналитическая оценка с фрактальных позиций разрушаемости горных пород.
Прогноз прочности и эффективности использования ПАВ в процессах разрушения горных пород.
Методы исследований: лабораторное определение свойств горных пород по стандартным методикам; микроскопический люминесцентный метод дефектоскопии; математическое моделирование трещинной структуры горных пород; статистическая проверка надежности и достоверности результатов исследований; аналитические исследования разрушаемости горных пород с учетом фундаментальных законов физики твердого тела (горных пород) и фрактальной геометрии.
Защищаемые научные положения:
Разработанная методика и программное обеспечение анализа фрактальных характеристик трещинной структуры горных пород являются базой для оценки реальной геометрии трещин, закономерностей их пространственного распределения, изучения динамики развития трещинной структуры горных пород.
Активизация процессов зарождения и развития трещин под действием поверхностно-активных веществ надежно оценивается изменением энтропийной и корреляционной размерностей трещинной структуры горных пород.
Процесс разрушения горных пород включает две стадии, границы и параметры которых определяются динамикой изменения фрактальной размерности кластерной структуры пород и уравнениями теории хрупкого разрушения и кинетической концепции прочности с учетом фрактальных характеристик трещин.
Достоверность научных положений, выводов и результатов работы обеспечивается использованием апробированных методов фрактальной геометрии; достаточным с точки зрения статистических критериев объемом экспериментальных исследований; удовлетворительной сходимостью результатов аналитических расчетов и реализации компьютерных моделей с наблюдаемыми значениями трещиноватости и свойств изученных пород (расхождение не превышает естественную вариацию данных характеристик).
Научная новизна результатов исследования заключается в следующем:
- На основе адаптированного к изучению скальных пород микроскопического метода люминесцентной дефектоскопии разработана методика анали-
за трещинной структуры горных пород, отличающаяся тем, что здесь с единых позиций фрактальной геометрии оценивается истинная поверхность природных трещин, неоднородность их пространственного распределения, формирование кластеров.
Установлены закономерности развития кластерной структуры горных пород в процессе их нагружения. Для количественной оценки данного процесса впервые обоснован комплекс фрактальных характеристик трещинова-тости пород.
Получены уравнения и определены закономерности изменения коэффициентов интенсивности напряжений, трещиностойкости и трещинодвижу-щей силы с ростом фрактальной размерности трещин в горных породах.
Впервые обосновано использование фрактальной кластерной размерности для прогноза динамики и параметров разрушения горных пород на стадиях накопления повреждений и развития системы трещин.
Практическая значимость работы:
Комплексная методика определения и анализа фрактальных характеристик трещинной структуры горных пород является эффективным инструментом анализа при проведении научных исследований в области физики разрушения горных пород. Установлены количественные соотношения, позволяющие прогнозировать эффективность использования ПАВ при отбойке блоков пород невзрывчатыми разрушающими составами (НРС) и дробления горных пород взрывом при проходке выработок.
Личный вклад автора состоит: в непосредственном участии автора в экспериментальных исследованиях; в отработке микроскопического метода люминесцентной дефектоскопии; в разработке компьютерного обеспечения исследований; в аналитических исследованиях разрушаемости горных пород с фрактальных позиций и получении основных выводов по работе.
Реализация результатов работы. Комплексная методика изучения трещинной структуры горных пород, включающая микроскопический метод люминесцентной дефектоскопии и компьютерное обеспечение анализа, передана Институту горного дела УрО РАН и ОАО «Уралгипротранс».
Теоретические и экспериментальные результаты исследований по направленному изменению фрактальных характеристик, свойств и состояния пород поверхностно-активными веществами используются при чтении лекций и проведении лабораторных занятий по курсам: «Физика горных пород», «Физика разрушения горных пород при бурении и взрывании», «Методы и средства изучения быстропротекающих процессов».
Основные материалы, полученные в диссертации, включаются в монографию «Направленное изменение фрактальных характеристик, свойств и состояния пород поверхностно-активными веществами в процессах горного производства», готовящуюся в рамках реализации ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009 - 2013 гг.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались: на III Международной конференции «Проектирование, строительство и эксплуатация комплексов подземных сооружений», 19-21 мая 2010 г.,
г. Екатеринбург, УГГУ; на ежегодных молодежных научно-практических конференциях Уральского государственного горного университета (2009 -
2012 гг.).
Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 9 печатных работах, из них 6 статей - в ведущих рецензируемых научных изданиях.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка используемых источников из 203 наименований и содержит 165 страниц машинописного текста, включая 70 рисунков и 20 таблиц.
Работа выполнялась в рамках реализации ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009 - 2013 гг.; госбюджетной НИР «Теоретические основы прогноза прочности и устойчивости горных пород в подземных выработках с учетом фрактальных характеристик трещинной структуры», выполняемой по заданию Минобрнауки РФ (2011-
2013 гг.).
