Трансформация энергии на стадии диспергирования геосреды при нагружении

Трансформация энергии на стадии диспергирования геосреды при нагружении

Приведены результаты экспериментально-теоретических исследований закономерностей трансформации энергии на стадии диспергирования разрушаемой геосреды. Рассмотрено формирование распределений по размерам измельченных частиц с учетом физических основ фрагментирования нагружаемого гетерогенного объекта....

Повний опис

Збережено в:
Бібліографічні деталі
Дата:2017
Автори: Горобец, Л.Ж., Верхоробина, И.В.
Формат: Стаття
Мова:Russian
Опубліковано: Інститут геотехнічної механіки імені М.С. Полякова НАН України 2017
Назва видання:Геотехнічна механіка
Онлайн доступ:http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/158618
Теги: Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Цитувати:Трансформация энергии на стадии диспергирования геосреды при нагружении / Л.Ж. Горобец, И.В. Верхоробина // Геотехнічна механіка: Міжвід. зб. наук. праць. — Дніпро: ИГТМ НАНУ, 2017. — Вип. 136. — С. 101-115. — Бібліогр.: 15 назв. — рос.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
id irk-123456789-158618
record_format dspace
spelling irk-123456789-1586182019-09-10T01:25:24Z Трансформация энергии на стадии диспергирования геосреды при нагружении Горобец, Л.Ж. Верхоробина, И.В. Приведены результаты экспериментально-теоретических исследований закономерностей трансформации энергии на стадии диспергирования разрушаемой геосреды. Рассмотрено формирование распределений по размерам измельченных частиц с учетом физических основ фрагментирования нагружаемого гетерогенного объекта. Обосновано применение дискретно-волнового критерия микроразрушения для изучения эволюции стадии диспергирования и оценке показателей эффективности диспергирования при разрушении геосред. Надані результати експериментально-теоретичних досліджень закономірностей трансформації енергії на стадії диспергування геосередовища при руйнуванні. Розглянуто формування розподілів за розмірами подрібнених частинок з урахуванням фізичних основ фрагментації гетерогенного об'єкту при навантаженні. Обгрунтовано застосування дискретно-хвильового критерію мікроруйнування для вивчення еволюції стадії диспергування і оцінці показників ефективності диспергування при руйнуванні геосередовищ. The results of experimental and theoretical studies relation energy transformation at the stage dispersion of the destroyed geo-environment are presented. The formation distributions on the sizes of the crushed particles are investigated taking into account physical bases fragmentation under loaded heterogeneous object. The use discrete-wave criterion of micro-destruction for the study evolution of the dispersing stage and estimation characteristics efficiency dispersion when a geo-environment is destroyed are substantiated. 2017 Article Трансформация энергии на стадии диспергирования геосреды при нагружении / Л.Ж. Горобец, И.В. Верхоробина // Геотехнічна механіка: Міжвід. зб. наук. праць. — Дніпро: ИГТМ НАНУ, 2017. — Вип. 136. — С. 101-115. — Бібліогр.: 15 назв. — рос. 1607-4556 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/158618 [622.02 : 539.2/.8]: 620.174.24 ru Геотехнічна механіка Інститут геотехнічної механіки імені М.С. Полякова НАН України
institution Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection DSpace DC
language Russian
description Приведены результаты экспериментально-теоретических исследований закономерностей трансформации энергии на стадии диспергирования разрушаемой геосреды. Рассмотрено формирование распределений по размерам измельченных частиц с учетом физических основ фрагментирования нагружаемого гетерогенного объекта. Обосновано применение дискретно-волнового критерия микроразрушения для изучения эволюции стадии диспергирования и оценке показателей эффективности диспергирования при разрушении геосред.
format Article
author Горобец, Л.Ж.
Верхоробина, И.В.
spellingShingle Горобец, Л.Ж.
Верхоробина, И.В.
Трансформация энергии на стадии диспергирования геосреды при нагружении
Геотехнічна механіка
author_facet Горобец, Л.Ж.
Верхоробина, И.В.
author_sort Горобец, Л.Ж.
title Трансформация энергии на стадии диспергирования геосреды при нагружении
title_short Трансформация энергии на стадии диспергирования геосреды при нагружении
title_full Трансформация энергии на стадии диспергирования геосреды при нагружении
title_fullStr Трансформация энергии на стадии диспергирования геосреды при нагружении
title_full_unstemmed Трансформация энергии на стадии диспергирования геосреды при нагружении
title_sort трансформация энергии на стадии диспергирования геосреды при нагружении
publisher Інститут геотехнічної механіки імені М.С. Полякова НАН України
publishDate 2017
url http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/158618
citation_txt Трансформация энергии на стадии диспергирования геосреды при нагружении / Л.Ж. Горобец, И.В. Верхоробина // Геотехнічна механіка: Міжвід. зб. наук. праць. — Дніпро: ИГТМ НАНУ, 2017. — Вип. 136. — С. 101-115. — Бібліогр.: 15 назв. — рос.
series Геотехнічна механіка
work_keys_str_mv AT gorobeclž transformaciâénergiinastadiidispergirovaniâgeosredyprinagruženii
AT verhorobinaiv transformaciâénergiinastadiidispergirovaniâgeosredyprinagruženii
first_indexed 2025-07-14T11:10:43Z
last_indexed 2025-07-14T11:10:43Z
_version_ 1837620469128232960
fulltext ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2017. №136 101 УДК [622.02 : 539.2/.8]: 620.174.24 Горобец Л.Ж., д-т.техн.наук, профессор (Государственное ВУЗ «НГУ»), Верхоробина И.В., магистр (ИГТМ НАН Украины) ТРАНСФОРМАЦИЯ ЭНЕРГИИ НА СТАДИИ ДИСПЕРГИРОВАНИЯ ГЕОСРЕДЫ ПРИ НАГРУЖЕНИИ Горобець Л.Ж., д-т.техн.наук, професор (Державний ВНЗ «НГУ»), Верхоробіна І.В., магістр (ІГТМ НАН України) ТРАНСФОРМАЦІЯ ЕНЕРГІЇ НА СТАДІЇ ДИСПЕРГУВАННЯ ГЕОСЕРЕДОВИЩА ПРИ НАВАНТАЖЕННІ Gorobets L.J., D.Sc. (Tech.), Professor (State HEI «NMU»), Verhorobina I.V., M.S. (Tech.) (IGTM NAS of Ukraine) TRANSFORMATION OF ENERGY ON THE STAGE OF DISPERGATING OF GEOLOGICAL ENVIRONMENT AT LADENING Аннотация. Приведены результаты экспериментально-теоретических исследований за- кономерностей трансформации энергии на стадии диспергирования разрушаемой геосреды. Рассмотрено формирование распределений по размерам измельченных частиц с учетом фи- зических основ фрагментирования нагружаемого гетерогенного объекта. Обосновано приме- нение дискретно-волнового критерия микроразрушения для изучения эволюции стадии дис- пергирования и оценке показателей эффективности диспергирования при разрушении гео- сред. Для усиления эффектов диспергирования в процессах измельчения геоматериалов ре- комендуется обеспечивать высокоскоростной и высокочастотный импульсный режим нагружения. Для исследования кинетики трансформации упругой энергии в акустическую на стадии нагружения образцов геосред предложены акустические параметры. Эксперимен- тально определены показатели трансформации энергии при нагружении и разрушении ряда геоматериалов одноосным и объемным сжатием в диапазоне давлений 114-1720 МПа. Отме- чена важность информации об энергетике диспергирования на запредельной стадии дефор- мирования. Ключевые слова: геологическая среда, энергия разрушения, эффекты диспергирования. Введение. Недостаточная изученность природы формирования эффектов диспергирования геосреды при разрушениях любого вида и масштабного уров- ня объясняет существующую и пока нерешенную проблему повышенных за- трат энергии на обработку полезных ископаемых, особенно в технологии полу- чения высокодисперсных минеральных порошков. В этой связи представляется актуальным анализ физической сущности явления фрагментирования нагружа- емой геосреды с оценкой роли трансформации энергии на стадии дисперги- ________________________________________________________________________________ © Л.Ж. Горобец, И.В. Верхоробина, 2017 ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2017. №136 102 рования. Современные достижения в физике разрушения [1] позволяют считать процесс диспергирования завершающей стадией разрушения нагруженного твердого тела, которая включает распад конденсированной фазы в результате необратимых разрывов межатомных связей по авторезонансному механизму с образованием тонкодисперсных фрагментов (порядка долей, единиц и десятков микрон). На базе новых достижений в статистической термодинамике обосно- вана возможность описания процесса диспергирования как критического явле- ния в конденсированной фазе вещества [2, 3]. В свете новых результатов о тер- модинамике критического состояния веществ не имеет значения вид подводи- мой энергии (механическая, термическая, электрическая, магнитная и др.). Важно условие достижения веществом в локальных зонах нагружаемого тела критического уровня внутренней энергии, характеризующего генетические свойства вещества и природу его критического состояния. Анализ последних исследований и публикаций. Рассмотрим физические модели и критерии, которые характеризуют предразрушающее состояние нагруженной гетерогенной среды, задают структуру и уровень накопления энергии к моменту распада на фрагменты и отдельности. Суть нового методологического подхода к рассмотрению закономерностей стадии диспергирования на микроуровне состоит в признании и учете единства дискретных и волновых свойств вещества в конденсированном состоянии [3, 6- 9]. Согласно автоколебательной модели предразрушения деформируемого твердого тела ведущая роль в механизме диспергирования принадлежит поло- жительной обратной связи, возникающей за счет генерации акустической эмис- сии вблизи дефектов структуры и приводящей к авторезонансу (лавинообраз- ному разрушению). Разделение нагружаемой геосреды на изолированные фраг- менты и отдельности происходит на стадии авторезонанса – стадии свободного разрушения (саморазрушения), когда формирование разрывов сплошности сре- ды происходит за счет работы диссипативных сил (без подвода энергии извне). При достижении авторезонанса разрыв нескольких межатомных связей служит «спусковым крючком» цепного процесса разрывов множества связей. Процесс диспергирования конденсированного вещества является порого- вым и многостадийным, приводящим к возникновению иерархии преимуще- ственных размеров диспергированных частиц в диапазоне от нескольких десят- ков ангстремов до сотен и тысяч микронов. Согласно теории эволюция неодно- кратно протекающих стадий диспергирования контролируется дискретно- волновым критерием микроразрушения В , так что характерные размеры обра- зующихся фрагментов и отдельностей в зонах диспергирования кратны вели- чине инвариантности В микроразрушения. Развитие иерархии размеров диспергированных частиц описывается с по- мощью итерационного процесса, если исходить из того, что характерные ли- нейные размеры частиц dk и связанных с ними длин волн индуцированного аку- стического излучения λk являются членами геометрической прогрессии: d k = 2π<a>B k λ, λk = 2π <a>B k+1 λ, где Bλ - знаменатель прогрессии, отвечающий фи- зическому смыслу дискретно-волнового критерия. Теоретическая оценка вели- ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2017. №136 103 чины В включает соотношение физических параметров прочности вещества Uo / kTпл и ограничена параметром разрывной деформации кристаллической решетки – не более 0,2-0,25 (Uo – энергия разрушения решетки, эквивалентная теплоте сублимации, Tпл – температура плавления вещества, k – константа Больцмана) [1, 6, 7]. Для большинства твердых тел Вλ находится в сравнительно узком интервале от 2,1 для одномерного до 3,1 для трехмерного кристалла, среднее значение Bλ 2,6. Потеря устойчивости нагруженного тела реализуется в локальной зоне раз- рушения при совпадении длины К излучаемой волны со средним расстоянием Lк между трещинами. В физике разрушения отношение расстояния между тре- щинами Lк к их размеру lк характеризуют концентрационным критерием К = Lк / lк (k – порядок ранга разрушения), величина которого для лабораторных образ- цов изменяется от 2 до 5 [4, 5] . Разрушение на микроуровне присходит при усло- вии, когда величина концентрационного параметра К = Lк /lк оказывается близ- кой к величине дискретно-волнового критерия В микроразрушения B kl k KlimB kk L 2,1-3,1, (1) где k = 0,1,2,… - номер уровня фрактального размера частицы, <a> - среднее кратчайшее расстояние между атомами, λВ - наименьшая длина акустической волны в твердом теле, возникающая при разрыве межатомных связей. Если В 2,1-3,1, нагруженное тело находится в устойчивом состоянии, при В 2,1-3,1 релаксационные автоколебания атомов приводят нагруженную си- стему к разрушению. При разрушении геосред в природе и технологиях переработки отмечают полимодальный характер распределений по размерам образованных отдельно- стей (блоков, кусков, частиц), наблюдаемый в диапазоне 15 порядков (10 -10 - 10 5 м) [3, 7-9]. Например, в работах [1, 9] представлены результаты исследова- ния 62 гранулометрических характеристик в широком диапазоне изменения свойств и режимов измельчения 16 видов материала, измельченного 12 спосо- бами. Показатель проявления свойства дискретности при разрушении оценива- ли на основе гранулометрических характеристик как отношение dk/dk-1 после- довательно расположенных преимущественных размеров dk и dk-1 измельчен- ных частиц. Исследования показали, что в области измельчения величина установленного показателя дискретности dк/dк-1 = 2,6 0,6 хорошо согласует- ся с интервалом изменения теоретической величины дискретно-волнового па- раметра В = 2,1…3,1. Использование критерия В практически полезно в поиске наиболее эффек- тивного режима диспергирования при разрушении геосред различными спосо- бами. Согласно теории на стадии авторезонанса нагружаемой геосреды реали- ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2017. №136 104 зуется предельная скорость перестройки кристаллической решетки вещества и максимальная величина КПД диспергирования [3, 10]. В таблице 1 приведены экспериментальные значения степени Ipq и показателя эффективности диспер- гирования pq , рассчитанные по следующим формулам qp;)B( d d I pq pq q p pq ; В = В / a (2) Таблица 1 - Показатели диспергирования при различных способах разрушения Материал Способ разрушения Размер разрушения, м Показатели Ipq = dp /dq pq Стекло одноосное сжатие 10 -5 …10 -3 3…4 1…1,5 Антрацит динамическое сжатие (  = 10 2 …10 3 с -1 ) (2…4) 10 -2 2…5 1…2 Гранит удар (V= 50…80 м/с) (2…6) 10 -2 4…10 2 Уголь сброс газового давления (2…5) 10 -2 40…340 4…6 Новакулит удар (V = 500 м/с) 10 -1 1540 8 Новакулит контактный взрыв 10 -1 3080 8,5 Уголь внезапный выброс 3…14 900…4700 7…9 Как видно из приведенных данных, подтверждается теоретический вывод: при обработке различных материалов в статических или слабодинамичных («мягких») режимах нагружения параметры диспергирования соответствуют наименьшим значениям: Ipq В / а ≈ 2, pq = 1…2. При высокодинамичных («жестких») режимах автовозбуждения эти параметры значительно больше, до- стигая при взрывных методах разрушения максимальных значений: Ipq = 5 10 3 , pq = 7…9. Таким образом, для усиления эффектов диспергирования геоматери- алов следует обеспечивать в процессах их обработки более «жесткий» (высоко- скоростной и высокочастотный) импульсный режим нагружения. Практикой газоструйного способа измельчения, реализуемого при относи- тельной скорости соударения частиц порядка удвоенной скорости звука в воз- духе, подтверждена эффективность использования высокодинамичных (квази- авторезонансных) режимов нагружения геоматериалов с достижением высокой дисперсности порошков (микро- и наноразмеров) [11, 12]. Полагаем, что знание параметров диспергирования Ipq и pq и их изменения в различных режимах нагружения (сдвиг, отрыв, сжатие, удар, сброс давления, взрыв) важно также для создания шкалы классификации (типизации) геосред по измельчаемости (диспергируемости). Выделение не решенных ранее частей общей проблемы, которым по- священа статья. Анализ достижений в теории предразрушающего состояния нагружаемой геосреды указывает на определяющую роль акустической инфор- мации в прогнозе эффектов развивающегося диспергирования: общих и удель- ных энергозатрат, количества тонкодисперсных фракций в продукте [3]. При экспериментальном изучении закономерностей формирования эффектов дис- ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2017. №136 105 пергирования нагружаемой геосреды весьма информативны параметры акусти- ческой эмиссии (АЭ). В этой связи представляется актуальным изучение связей между дисперги- рованием и акустическим излучением не только при разрушении модельных образцов геосреды, но и в технологиях измельчения, например, путем соударе- ний ускоряемых частиц в рабочей камере измельчительного устройства. Цель работы состоит в анализе и обобщении теоретических и эксперимен- тальных закономерностей трансформации энергии на стадии диспергирования разрушаемой геосреды в природных условиях или в технологиях обработки ге- терогенных материалов. При диспергировании в энергонапряженных измельчительных аппаратах (дезинтегратор, струйная, планетарная мельницы и др.) время накачки энергии в измельчаемый материал совпадает по порядку величины со временем ее ре- лаксации, что указывает на высокую вероятность интенсивного проявления ав- торезонансного механизма разрушения. Если исходить из разрушительного действия автоакустических возбуждений на кристаллическую структуру веще- ства, то определяющая роль в исследовании физических закономерностей на стадии диспергирования нагружаемой геосреды принадлежит методу акустиче- ской эмиссии. Рассмотрим процесс диспергирования во встречных двухфазных потоках га- зоструйной мельницы, когда разрушение частиц происходит практически хруп- ким механизмом, поскольку период взаимодействия частиц при соударениях друг с другом составляет в микронной области размеров частиц порядка 10 -10 - 10 -9 с. В этой связи газоструйную мельницу можно считать разновидностью не- обратимых термодинамических машин квазихрупкого разрушения, в которых энергия разгоняемых частиц трансформируется в энергию акустического излу- чения, кинетическую и поверхностную энергию разрушенных частиц. Коэффи- циент полезного действия процесса диспергирования ηд для такой машины от- вечает физической сути квантового кпд ηкв акустической эмиссии [3, 7] ηкв = (Pмакс с) / U = (h с / а) /U = h νm / U = 10 -2 … 10 -3 , (3) где Pмакс - максимальная энергия фонона, с - скорость звука в твердом теле, U – энергия межатомной связи, νm - максимальная частота колебаний атомов в аку- стической волне, h – постоянная Планка. Начало стадии саморазрушения-диспергирования вещества связано с до- стижением критической плотности W V энергии в активных локальных зонах вблизи дефектов структуры, причем, уровень W V должен быть достаточным для запуска авторезонансного механизма разрушения межатомных связей. По- лагаем, что локальная плотность энергии W V при диспергировании равнознач- на по смыслу молярной теплоте фазового перехода (испарения, сублимации) вещества в критическом состоянии: W V Н исп кр . Можно утверждать, что энергия диспергирования до молекулярного состояния есть не что иное как ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2017. №136 106 скрытая теплота испарения, которую можно рассчитать с помощью уравнения состояния реального газа [13, 14]. Известно, что накопление образующихся микротрещин в нагружаемом твердом теле проявляется в виде импульсов акустической эмиссии (АЭ), так что амплитуда сигналов пропорциональна размерам микротрещин 9, 15 . Для экспериментального изучения кинетики трансформации упругой энергии в аку- стическую при одноосном сжатии пород используем следующие акустические параметры NA (имп/Дж) и N (имп/%), связывающие счет сигналов акустиче- ской эмиссии с работой трещинообразования и необратимой деформацией нагружаемого образца: - NA = N / A – энергетический выход (имп/Дж) акустической эмиссии, рас- считываемый как отношение числа N акустических сигналов к работе А обра- зования микротрещин; - N =  /N - акустоэмиссионная эффективность разрушения, определяемая как счет сигналов N , отнесенный к показателю текущей деформации; N = N/ , - длительность излучения N cигналов. В таблице 2 приведены физико-механические и акустоэмиссионные харак- теристики деформирования и разрушения образцов геосред сжатием. Таблица 2 - Физико-механические и акустоэмиссионные показатели разрушения геоматериалов одноосным сжатием Параметры Обозна- чения Размер- ность Геосреда Железная руда Диабаз Мрамор Предел прочности 0 МПа 318 194 114 Плотность геосреды г/см 3 3,5 3,0 2,9 Деформация на пределе прочности 0 % 0,52 0,35 0,21 Средняя плотность энергии WV МДж/м 3 1,65 0,66 0,24 Локальная плотность энергии W V МДж/м 3 317 189 114 Энергетический выход АЭ на стационарной стадии NА имп/Дж 1…4 100…150 20…50 АЭ-эффективность на стационарной стадии на стадии саморазрушения N имп/% (0,4…1,2) 10 3 (2…4) 10 5 (4…8) 10 3 (2…20) 10 4 (0,5…0,8) 10 3 (2…5) 10 4 Удельная активность АЭ на стационарной стадии на стадии саморазрушения V N имп/с м 3 (3…50) 10 4 (1,2…1,5) 10 7 (2…6) 10 5 (5…6) 10 6 (4…9) 10 4 (1…1,5) 10 6 Удельная мощность разрушения P кДж/м 3 с 13,8 5,9 2,7 Амплитуда АС при разрушении A мкВ 490 360 210 Из данных таблицы 2 видно, что на заключительной стадии разрушения на 1-2 порядка возрастает акустоэмиссионная эффективность N макроразруше- ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2017. №136 107 ния, и этот параметр N =  /N коррелирует с удельной мощностью Р разру- шения, амплитудой АС и удельной акустической активностью V N . На величи- ну энергетических затрат, контролируемых методом акустической эмиссии, оказывают влияние размер структурных неоднородностей, размер образца, уро- вень концентрации напряжений и степень необратимой деформации трещино- образования. Наиболее тонкодисперсную структуру и наибольшую поверх- ность сопротивления развитию трещин имеет железная руда (размер зерен 5- 100 мкм). В результате разрушение железной руды произошло с наибольшей плотностью поглощенной структурными зернами упругой энергии (W V =317 МДж/м 3 ), более высоким, чем у других пород, уровнем концентрации напряже- ний ( 0 =318 МПа), повышенной мощностью (P=13,8 кДж/м 3 с) и удельной акустической активностью ( V N =1,5 10 7 ) взрывного акта саморазрушения. На рис. 1 показано изменение во времени показателя NA( ) трансформации упругой энергии в акустическую при одноосном сжатии на примерах ряда гео- сред: мрамор, диабаз, железная руда. 1 – мрамор; 2 –диабаз; 3 – железная руда; NA – энергетический выход акустической эмиссии, имп/Дж , - длительность деформирования Рисунок 1 - Кинетика трансформации упругой энергии в акустическую NA( ) в процессе деформирования и разрушения геосреды при нагружении одноосным сжатием Полагаем, что степень дефектности исходных образцов геосреды задает раз- личие в расположении начального участка графика NA( ), а затем в течение ста- ционарной стадии работа трещинообразования примерно постоянна. Более сла- бо выраженное трещинообразование у мрамора можно объяснить тем, что в пластически деформируемой среде подавляется рост и накопление трещин. Исследование показало правомочность оценки способности геосреды к диспер- гированию методом акустической эмиссии по накоплению повреждаемости от трещинообразования к моменту разрушения. ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2017. №136 108 На рис. 2 показана связь между количеством образованных тонких фрак- ций (менее 100 мкм и 400 мкм) и удельным NV (на единицу объема V образца - NV =N/V) акустическим излучением нагружаемой железной руды. 1– -100; 2 – -400 Рисунок 2 - Связь между выходом тонкодисперсных фракций и удельным акустическим излучением NV при нагружении сжатием железной руды: На рис. 3 показана кинетика напряженно-деформированного состояния и акустической эмиссии нагружаемой одноосным сжатием железной руды. - текущая деформация, доли ед.; - напряжение, МПа; N - активность АЭ, с -1 ; -длительность нагружения,с Рисунок 3 - Кинетика ( ) роста напряжений (1) и акустического излучения N ( ) (2) в процессе деформирования образца железной руды Видно, что с ростом напряжений в нагружаемом образце усиливается аку- стическое излучение, сопутствующее актам раскрытия и развития трещин на стадии диспергирования. Установлено, что величина деформации о на пределе прочности служит прогнозной оценкой выхода фракций характерного размера, соизмеримого с зернами минералов. Однако, более высокий уровень информации о развивающихся зонах дис- пергирования в нагружаемых геосредах был достигнут при объемным сжатии на установке УНТС (неравнокомпонентного трехосного сжатия). При этом ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2017. №136 109 наиболее важную информацию об энергетике диспергирования несет запре- дельная стадия деформирования [3, 10]. В экспериментах объемного нагруже- ния геосред последовательно фиксировались главные особенности динамиче- ской стадии разрушения: релаксация напряжений и дилатансия (разуплотне- ние). Очаг разрушения нагружаемой геосреды на стадии запредельного дефор- мирования представляет собой не отдельную трещину, а объемный объект с измененной структурой вещества в результате дробления зерен минералов на более мелкие фракции. Процесс диспергирования нагружаемой среды развивается, проходя различ- ные стадии в очагах разрушения (зонах трещинообразования) путем формиро- вания и роста микротрещин, а затем образования тонкодисперсных фрагментов и отдельностей. Интенсивное развитие зоны диспергирования в нагружаемых объемным сжатием образцах геосред сопровождается повышением активности акустической эмиссии на 2-4 порядка с преимущественным накоплением мало- амплитудных акустических сигналов. Закономерности трансформации энергии на стадии диспергирования разрушаемой геосреды раскрываются на основе ис- пользования полной диаграммы ( ) нагружения объемным сжатием 5 . Приведем примеры исследования, устанавливающего связь локальной плот- ности энергии W V в критическом состоянии и эффектов диспергирования с ре- жимом нагружения геосреды. На рис. 4 представлены графики трехосного неравнокомпонентного сжатия ( 1 2 3 ) железной руды в виде модельных образцов (объем куба V =125 см 3 ). 1 – 215; 2 – 311; 3 – 365; 4 – 433 Рисунок 4 - Зависимости ( ) при объемном деформировании железной руды; V = 125 см 3 ; предел прочности (МПа) Опыты показали, что в режимах с повышенной концентрацией напряжений наблюдается увеличение деформации о на пределе прочности и эффекта дис- пергирования, оцениваемого по удельной поверхности S/V измельченного продукта и количеству -250 (%) образованных мелких фракций (менее 100-250 мкм). В таблице 3 сопоставлены показатели деформирования, накопления и ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2017. №136 110 расхода энергии на стадии диспергирования при нагружении различных гео- сред (до о =104-433 МПа). Таблица 3 - Энергетические показатели и эффекты стадии диспергирования при нагружении геосред в режиме неравнокомпонентного объемного сжатия Показатели Обозначение Руда Песчаник Тальк Уголь Предел прочности о МПА 215…433 296…392 224 104 Деформация на пределе прочности o % 3,7…5,2 4,2…3,7 10,5 7,7 Средняя плотность энергии WV МДж/м 3 5,7…11,3 6,2…7,2 11,8 4,0 Локальная плотность энергии W V МДж/м 3 814…1413 326…97 261 210 Содержание фракции менее 0,25 мм -0,25 % 0,4…5,8 2,3…3,1 2,4 8,2 Образованная удельная по- верхность S/V, м 2 /м 3 347…3740 2080…2770 2830 7690 Удельная поверхностная энергия , Дж/м 2 1,0…7,6 18…205 60 1,0 Удельный расход энергии на процесс измельчения Г, Дж/м 2 158…765 147…410 664 45 Установлено, что повышение локальной плотности энергии при разрушении руды от W V = 900 МДж/м 3 до 1400 МДж/м 3 сопровождается более чем двукрат- ным увеличением деформации о (от 2,5 до 5,2 %) и на порядок ростом показа- теля дисперсности S/V (от 350 до 3700 м 2 /м 3 ) и количества -250 тонких фрак- ций (от 0,4 до 6 %). Еще более высокие уровни давлений (до 1720 МПа) выдерживались в экспе- риментах осесимметричного сжатия железной руды боковым давлением 2,3 5 . Размеры модельных образцов цилиндрической формы составляли: диаметр d = 3 см, высота h = 4-6 см. Одноосное сжатие проводили на жестком серийном прессе. Объемное нагружение осуществляли на оборудовании, разработанном в лаборатории механических испытаний Санкт-Петербургского горного институ- та. Испытания трехосного осесимметричного сжатия ( 1 2 = 3 ; 1 = max) проведены при трех уровнях давления: 2,3 = 10; 100 и 600 МПа. На рис. 5 приведены диаграммы ( ) для восьми образцов железной руды: 1 - о= 216 МПа, 2,3= 0 МПа; 2- о= 259 МПа, 2,3= 0 МПа; 3- о= 490 МПа, 2,3= 10 МПа; 4- о= 580 МПа, 2,3= 10 МПа; 5- о= 904 МПа, 2,3= 100 МПа; 6- о= 1160 МПа, 2,3=100 МПа; 7- о= 1550 МПа, 2,3=600 МПа; 8- о= 1720 МПа, 2,3= 600 МПа/ В таблице 4 сведены результаты обработки экспериментальных данных, ха- рактеризующие новые особенности и эффекты диспергирования на примере железной руды. ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2017. №136 111 Рисунок 5 - Диаграммы б( ) деформирования железной руды одноосным (1, 2) и трехосным (3-8) осесимметричным сжатием ( 1 2 = 3). Таблица 4 - Показатели трансформации энергии разрушения в эффекты диспергирования железной руды под действием высоких давлений в диапазоне 200-1700 Мпа V, см 3 2,3 МПа о МПа о % WV МДж/м 3 W V МДж/м 3 Дж/м 2 Г Дж/м 2 -0,25 % S/V м 2 / м 3 осесимметричное объемное сжатие ( 1 2 = 3 ) 36,6 0 216 0,36 0,39 - - - 0,44 552 44,0 0 259 0,43 0,56 28,4 31,2 428 1,8 1310 24,7 10 580 1,2 3,48 204,7 17,2 904 6,5 3850 39,0 10 490 0,32 0,78 49,4 11,1 1012 1,0 770 28,7 100 1160 2,2 12,76 580 2,3 4580 4,9 2780 39,3 600 1550 4,0 31,0 - - 0,37 460 51,8 600 1720 6,6 56,8 860 - - 1,7 1150 неравнокомпонентное трехосное сжатие ( 1 2 3 ) 128,3 - 433 5,2 11,3 1413 1,0 158 5,8 3740 114,6 - 311 3,7 5,7 814 7,6 765 0,5 349 123,3 - 365 4,7 8,6 955 3,2 515 1,6 973 144 - 215 2,5 2,7 900 1,0 227 0,4 347 Во-первых, с ростом бокового давления увеличиваются о, о и W V , при- чем, влияние давления на эффекты диспергирования имеет экстремальный ха- рактер. С увеличением боковых давлений 2,3 более 100 МПа наблюдается рост о от 1160 до 1720 МПа, о от 2,2 до 6,6 %, W V от 580 до 860 МДж/м 3 . Однако, количество мелких фракций -500 (менее 500 мкм) достигает максимума при 2,3 = 10 МПа: -500 = 7,3 %. Во-вторых, дальнейший рост давления 2,3 на образец приводит к сниже- нию степени диспергирования: при 2,3 = 100 МПа -500 = 5,2 %; -250 = 4,9 %; при 2,3 = 600 МПа -500 = 2,0-0,6%; -250=1,7-0,4 %. Величина удельной свеже- образованной поверхности S/V (м 2 /м 3 ) разрушенного продукта становится ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2017. №136 112 меньше в 1,4-3,3 раза: от 3850 при 2,3 = 10 МПа до 2780 при 2,3 = 100 МПа и 1150 м 2 /м 3 при 2,3 = 600 МПа. Полагаем, что эта закономерность связана с эффектами критического состо- яния вещества при высоких давлениях. В области 2,3 100 МПа с ростом в 3- 4 раза уровня локальной плотности энергии W V происходит трансформация упругой энергии в тепло, пластические деформации и фазовые превращения. Образование жидкой фазы в руде обусловливает преимущественно пластич- ный механизм деформационного процесса, который становится преобладаю- щим, что и снижает эффект диспергирования нагружаемой геосреды. Поведе- ние конденсированной фазы подобно жидкости отображается плавностью из- менения графика ( ) (см. кривые 7, 8 на рис. 5). С учетом инициирования диспергирования акустическими волнами пред- лагается представлять КПД акта диспергирования как коэффициента транс- формации упругой энергии, сконцентрированной в очагах разрушения в крити- ческом состоянии W V (W V Е = mc 2 ), в полезную работу диспергирования Wi (Wi Еa = h m ), совершаемого на стадии быстрой разгрузки напряжений от о до i* 3 VW W W W W W o ii o ii V i V ; i * i * i ii d)( d)( VW VW 0 0 0 0 , (4) где W V = Wo / i - критическая локальная плотность энергии, приходящейся на единицу объема трещин; Wo = o o /2. Параметр W V справедливо назвать «энергетическим порогом» акта диспер- гирования. Уровень W V задает величину свежеобразованной поверхности S согласно выражению: ДVW V S (V – объем нагружаемого объекта; Д - отно- сительная деформация геосреды на стадии диспергирования; - теоретическая поверхностная энергия; - к.п.д диспергирования) 3, 10 . Мощность Wa выделенной на стадии диспергирования акустической энер- гии Wa пропорционально связана со средней плотностью WV поглощенной ма- териалом упругой энергии и периодом акустического отклика нагружаемой геосреды [3, 10]. Поскольку при высокоскоростных ударах частиц время накач- ки энергией Т и длительность акустического отклика на завершающей стадии разрушения (авторезонанса - саморазрушения - диспергирования) находятся в пределах величины одного порядка (соизмеримы), устанавливаем выражение ( aW = V WB  ), связывающее затраты энергии W V на диспергирование с мощно- стью aW акустического излучения ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2017. №136 113 VVV V a W a W a NW a W W   ;   TT N a N ; 1 ; . (5) где  - скорость относительной динамической деформации частиц (  =V/d, V – скорость удара, d – размер частиц, /а - критерий В 2,1…3,1). Экспериментально установлено, что эффекты диспергирования возрастают пропорционально длительности спонтанного разрушения (авторезонанса). Выводы. 1. Преимущественную информацию о трансформации энергии на стадии диспергирования содержат экспериментальные данные за пределом прочности нагружаемой геосреды. Разрушение на микроуровне с эффектами диспергиро- вания происходит при условии, когда величина концентрационного параметра К оказывается близкой к величине дискретно-волнового критерия В микрораз- рушения. Физический критерий В составляет основу оценки показателей дис- пергирования: соотношения размеров преимущественных фракций и удельной поверхности измельченного продукта. 2. Для исследования и прогнозной оценки эффектов диспергирования при разрушении геосреды рекомендуется применение метода акустической эмис- сии. Для АЭ-мониторинга эволюции стадии и эффектов диспергирования опре- делены следующие информативные параметры: энергетический выход NA и ак- тивность N АЭ, акустоэмиссионная эффективность разрушения N , удельное акустическое излучение NV, распределение по величине амплитуд акустических сигналов. 3. Управление эффектами энерговыделения на стадии диспергирования при разрушении геосреды достигается изменением скорости  динамической де- формации, длительности накачки тела энергией и уровнем W V локальной плотности энергии. Для уменьшения энергозатрат на стадии диспергирования следует задавать время Т накачки энергией измельчаемых частиц (или разру- шаемого объекта) соизмеримым по порядку величины с периодом их разру- шения. ––––––––––––––––––––––––––––––– СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. Бовенко, В.Н. Синергетические эффекты и закономерности релаксационных колебаний в со- стоянии предразрушения твердого тела:Автореф. дисс. д-ра физ.-мат. наук / В.Н. Бовенко. - М.-1990.- 30с. 2. Горобец, Л.Ж. Связь термодинамических параметров горных пород на глубине/ Л.Ж. Горобец, А.И. Лютый // Вибрации в технике и технологиях: Днепропетровск. - 1998. - № 4 (8). - С. 59 - 61. 3. Горобец, Л.Ж. Развитие научных основ измельчения твердых полезных ископаемых. Автореф. дисс. д-ра техн. наук Л.Ж. Горобец. - НГУ: Днепр-ск. – 2004. - 35 с. 4. Структурные изменения при деформации природных гетерогенных материалов / В.С.Куксенко, Х.Ф.Махмудов, В.А. Мансуров [и др.] // ФТПРПИ. – 2009. - №4. – С. 55-59. 5. Кинетика и иерархия процесса накопления трещин в гетерогенных материалах / В.И. Веттегрень, В.С. Куксенко, Н.Г.Томилин, М.А. Крючков // Геодинамика и напряженное состояние недр Земли; под ред. Леонтьев А.В. - Новосибирск: Институт горного дела, 2004. - С. 373–377. 6. Бовенко, В.Н. Дискретно-волновая природа диспергирования / В.Н. Бовенко, Л.Ж. Горобец // Науковий вicник НГУ. - 2008. № 1. - С.7-9. ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2017. №136 114 7. Бовенко, В.Н. Радиоспектроскопия продуктов сверхтонкого измельчения / В.Н. Бовенко, Р.Ю. Герасимов, Л.Ж. Горобец // Научная сессия НИЯУ МИФИ-2010. Аннотации докладов. В 3 томах. Т.2. Нанофизика и нанотехнологии. Фундаментальные проблемы науки. М.: НИЯУ МИФИ, 2010.- С.73-74. 8. Гейликман, М.Б. О самоподобии в геофизических явлениях / М.Б.Гейликман, В.Ф. Писаренко // Дискретные свойства геофизической среды. - М.: Наука, 1989. - С. 109-131. 9. Горобец, Л.Ж. Закономерности формирования распределений по размерам частиц нагружаемо- го твердого тела / Л.Ж. Горобец // Тезисы докладов 7-го Международного симпозиума «Качество ми- нерального сырья»: ГВУЗ «Криворожский НУ». 2015.- С 17-23. 10. Горобец, Л.Ж Принципы и показатели функционирования геосреды при нагружении / Л.Ж. Горобец, И.В. Верхоробина //Геотехническая механика: Межведоств. сб. научн. работ. – Днепр. – Вып. 129. – 2016. – С.122-135. 11. Горобец, Л.Ж. Микропорошки: технология и оборудование / Л.Ж. Горобец // Збагачення ко- рисних копалин: Наук.-техн. зб. - Дніпропетровськ, 1999. - № 4 (45). – С.33-41. 12. Пилов, П.И. Технологические возможности струйных измельчителей / П.И.Пилов, Л.Ж.Горобец, И.В. Верхоробина // ГИАБ. – 2007. – №3. – С. 359-367. 13. Лютый, А.И. Строение Земли и геологические процессы в свете релаксации упругой энергии вещества недр: Монография / А.И. Лютый, С.Е, Поповченко - Днепр-ск: НГУ, 2005. - 272 с. 14. Лютый, А.И. Термодинамический расчет критического давления вещества и его техническое применение / А.И.Лютый, Л.Ж.Горобец, С.Б.Дуброва //Физика и техника высоких давлений. - До- нецк, 1997.- Т.7, № 3. - С.81-88. 15. Горобец, Л.Ж. Физические основы прогноза технологии измельчения / Л.Ж. Горобец // Обо- гащение руд. – 1995. - № 4-5. – С.19-23. REFERENCES 1. Bovenko, V.N. (1990), ―The synergetics effects and conformities to law of relaxation vibrations in a state of pre-destruction of solid‖, Abstract of Ph.D. dissertation, Fiz.mat., Institute MIEM, Moscow, Russia. 2. Gorobets, L.Zh. and Lutyi, A.I. (1998), ―Association of thermodynamics parameters of mountain breeds on the depth‖, Vibratsii v tekhnike i tekhnologii, no 4(8), pp. 59 - 61. 3. Gorobets, L.Zh. (2004), ―Development of scientific foundation for the solid minerals grinding‖, Ab- stract of Ph.D. dissertation, Mineral dressing, National Mining University, Dnepropetrovsk, Ukraine. 4. Kuksenko, V.S., Mahmudov, H.F. and Mansurov, V.A. (2009), ―Structural changes during defor- mation of natural heterogeneous materials‖, Fiziko-technicheskie problemy razrabotki mestorozhdeniy, no.4, p.55-59. 5. Vettergen, V.I., Kuksenko, V.S. and Tomilin, N.G. (2004), ―Kinetics and hierarchy of process of ac- cumulation of cracks in heterogeneous materials‖, Geodinamika i napryazhennoe sostoyznie nedr zemli, р. 373-377. 6. Bovenko, V.N. and Gorobets, L.Zh. (2008), ―Discrete-wave nature of dispergating‖, Naukoviy visnik Natsionalnogo girnychogo universytetu, no. 1, pp. 7-9. 7. Bovenko, V.N., Gerasimov, R.U. and Gorobets, L.Zh. (2010), ―Radio-location spectroscopy of foods of the overmicronizing‖, Nauchnay sessiya NIYaU MIFIF-2010. Nanofizika i nanotekhnologiya [Scientific session NIYAU MIFI, Nanophysics and nanotechnologies. Fundamental problems of science], vol.2, p.73- 74. 8. Geylikman, M.B. and Pisarenko, V.F. (1989), ―About selfsimilarity in the geophysical phenomena‖, Diskretnye svoistva geofizicheskoy sredy, pp. 109-131. 9. Gorobets, L.Zh. (2015), ―Conformities to law of forming of distributions on the sizes of particles of the loaded solid‖, Theses of lectures of the 7 International symposium "Quality of mineral raw material", pp. 17-23. 10. Gorobets, L.Zh. and Verhorobina, I.V. (2016), ―Principles and indexes of functioning of geological environment at a ladening‖, Geo-Technical Mechanics, vol. 129, pp.122-135. 11. Gorobets, L.Zh (1999), ―Micropowders: technology and equipment‖, Zbagachennya korysnykh kopalyn, no 4 (45), pp.33-41. 12. Pilov, P.I., Gorobets, L.Zh. and Verhorobina, I.V. (2007) ―Technological possibilities of the stream grinding‖ ,Gornyi informatsionno-analiticheskiy bulleten, no 3,pp.359-367. 13. Lutyi, A.I. and Popovchenko, S.E. (2005), Stroenie Zemli i geologicheskie protsessy v svete relaksatsii uprugoy energii veshchestv nedr [Structure of Earth and geological processes in the light of relax- ation of resilient energy of substance of bowels of the earth], NMU, Dnepropetrovsk, Ukraine. ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2017. №136 115 14. Lutyi, A.I., Gorobets, L.Zh. and Dubrova, S.B. (1997), ―Thermodynamics calculation of critical pressure of substance and his technical application‖, Fizika i tekhnika vysokikh davleniy, vol.7, no 3, pp. 81- 88. 15. Gorobets, L.Zh (1995), ―Physical bases of prognosis of technology of grinding‖, Obogashchenie rud, pp. 4-5, pp.19-23. ––––––––––––––––––––––––––––––– Об авторах Горобец Лариса Жановна, доктор технических наук, профессор, Государственное высшее учеб- ное заведение «Национальный горный университет» (ГВУЗ НГУ), Днепр, Украина, larisa- gorobets@rambler.ru. Верхоробина Инна Владимировна, магистр, инженер в отделе геодинамических систем и вибра- ционных технологий (ОГДС и ВТ), Институт геотехнической механики им. Н.С. Полякова Нацио- нальной академии наук Украины (ИГТМ НАН Украины), Днепр, Украина, inna_kuchuk@ukr.net. About the authors Gorobets Larisa Zhanovna, Doctor of Technical Sciences (D.Sc), Professor, State Higher Education In- stitution «National Mining University» (SHEI ―NMU‖), Dnepr, Ukraine, larisa-gorobets@rambler.ru. Verkhorobina Inna Vladimirovna, Master of Sciences (M.Sc.), Principal Engineer of Department of Geodynamic Systems and Vibration Technologies, Institute of Geotechnical Mechanics name by N. Polya- kov of National Academy of Sciences of Ukraine (IGTM, NASU), Dnеpr, Ukraine, inna_kuchuk@ukr.net. ––––––––––––––––––––––––––––––– Анотація. Надані результати експериментально-теоретичних досліджень закономірно- стей трансформації енергії на стадії диспергування геосередовища при руйнуванні. Розгля- нуто формування розподілів за розмірами подрібнених частинок з урахуванням фізичних ос- нов фрагментації гетерогенного об'єкту при навантаженні. Обгрунтовано застосування дис- кретно-хвильового критерію мікроруйнування для вивчення еволюції стадії диспергування і оцінці показників ефективності диспергування при руйнуванні геосередовищ. Для посилення ефектів диспергування в процесах подрібнення геоматериалів рекомендується забезпечувати високошвидкісний і високочастотний імпульсний режим навантаження. Для дослідження кінетики трансформації пружної енергії в акустичну на стадії навантаження зразків геосере- довищск запропоновані акустичні параметри. Експериментально визначені показники трансформації енергії при навантаженні і руйнуванні ряду геоматериалів одновісним і об'ємним стиском в діапазоні 114-1720 МПа. Відмічена важливість інформації про енергети- ку диспергування на позамежній стадії деформації. Ключові слова: геосередовище, що навантажується, енергія руйнування, ефекти диспер- гування. Abstract. The results of experimental and theoretical studies relation energy transformation at the stage dispersion of the destroyed geo-environment are presented. The formation distributions on the sizes of the crushed particles are investigated taking into account physical bases fragmentation under loaded heterogeneous object. The use discrete-wave criterion of micro-destruction for the study evolution of the dispersing stage and estimation characteristics efficiency dispersion when a geo-environment is destroyed are substantiated. To enhance dispersive effects in the process of grinding geomaterials to use high-speed and high-frequency impulse loading mode is recommend- ed. To study the kinetics transformation elastic energy into acoustic at the stage of under loading geo-environment samples, acoustic parameters are proposed. The parameters of energy transfor- mation under loading and destruction series geomaterials by uniaxial and volumetric compression in the pressure range of 114-1720 MPa were experimentally determined. The importance information on the energy of dispersing at an over-extreme limit stage of deformation is registered. Keywords: geological environment, energy destruction, dispersion effects. Статья поступила в редакцию 30.10.2017 Рекомендовано к публикации д-ром технических наук Блюссом Б.А. mailto:larisa-gorobets@rambler.ru mailto:inna_kuchuk@ukr.net

Схожі ресурси