Метод оцінки величини поверхневої енергії гірських порід
В рамках модели поверхностных дефектов предложен метод оценки поверхностной энергии горных пород. Локализация поверхностных дефектов в горных породах определяется распространением поверхностных акустических волн Рэлея. На основании уравнения Рэлея для продольных, поперечных и поверхностных волн про...
Gespeichert in:
Datum: | 2012 |
---|---|
Hauptverfasser: | , |
Format: | Artikel |
Sprache: | Russian |
Veröffentlicht: |
Інститут геотехнічної механіки імені М.С. Полякова НАН України
2012
|
Schriftenreihe: | Геотехническая механика |
Online Zugang: | http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/54390 |
Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
Zitieren: | Метод оцінки величини поверхневої енергії гірських порід / І.О. Садовенко, В.А. Мащенко // Геотехническая механика: Межвед. сб. науч. тр. — Днепропетровск: ИГТМ НАНУ, 2012. — Вип. 107. — С. 58-63. — Бібліогр.: 11 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraineid |
irk-123456789-54390 |
---|---|
record_format |
dspace |
spelling |
irk-123456789-543902014-02-02T03:12:24Z Метод оцінки величини поверхневої енергії гірських порід Садовенко, І.О. Мащенко, В.А. В рамках модели поверхностных дефектов предложен метод оценки поверхностной энергии горных пород. Локализация поверхностных дефектов в горных породах определяется распространением поверхностных акустических волн Рэлея. На основании уравнения Рэлея для продольных, поперечных и поверхностных волн проведена оценка коэффициента поверхностного натяжения горной породы и проведен расчет энергии разрушения при динамическом техногенном процессе. Within the model of surface defects, a method for evaluating rate of surface energy in the rocks is proposed. Localization of the surface defects in rocks is determined by propagation of surface acoustic Rayleigh’s waves. Basing on the Rayleigh equation for the longitudinal, transverse and surface waves, coefficient of the rock surface tension is evaluated, and breaking energy in dynamic technological processes is calculated. 2012 Article Метод оцінки величини поверхневої енергії гірських порід / І.О. Садовенко, В.А. Мащенко // Геотехническая механика: Межвед. сб. науч. тр. — Днепропетровск: ИГТМ НАНУ, 2012. — Вип. 107. — С. 58-63. — Бібліогр.: 11 назв. — рос. 1607-4556 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/54390 622.02:534.24 ru Геотехническая механика 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 |
В рамках модели поверхностных дефектов предложен метод оценки поверхностной
энергии горных пород. Локализация поверхностных дефектов в горных породах определяется распространением поверхностных акустических волн Рэлея. На основании уравнения Рэлея для продольных, поперечных и поверхностных волн проведена оценка коэффициента поверхностного натяжения горной породы и проведен расчет энергии разрушения при динамическом техногенном процессе. |
format |
Article |
author |
Садовенко, І.О. Мащенко, В.А. |
spellingShingle |
Садовенко, І.О. Мащенко, В.А. Метод оцінки величини поверхневої енергії гірських порід Геотехническая механика |
author_facet |
Садовенко, І.О. Мащенко, В.А. |
author_sort |
Садовенко, І.О. |
title |
Метод оцінки величини поверхневої енергії гірських порід |
title_short |
Метод оцінки величини поверхневої енергії гірських порід |
title_full |
Метод оцінки величини поверхневої енергії гірських порід |
title_fullStr |
Метод оцінки величини поверхневої енергії гірських порід |
title_full_unstemmed |
Метод оцінки величини поверхневої енергії гірських порід |
title_sort |
метод оцінки величини поверхневої енергії гірських порід |
publisher |
Інститут геотехнічної механіки імені М.С. Полякова НАН України |
publishDate |
2012 |
url |
http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/54390 |
citation_txt |
Метод оцінки величини поверхневої енергії гірських порід / І.О. Садовенко, В.А. Мащенко // Геотехническая механика: Межвед. сб. науч. тр. — Днепропетровск: ИГТМ НАНУ, 2012. — Вип. 107. — С. 58-63. — Бібліогр.: 11 назв. — рос. |
series |
Геотехническая механика |
work_keys_str_mv |
AT sadovenkoío metodocínkiveličinipoverhnevoíenergíígírsʹkihporíd AT maŝenkova metodocínkiveličinipoverhnevoíenergíígírsʹkihporíd |
first_indexed |
2025-07-05T05:42:23Z |
last_indexed |
2025-07-05T05:42:23Z |
_version_ |
1836784438368796672 |
fulltext |
58
УДК 622.02:534.24
Д-р техн. наук І.О.Садовенко
(ДВНЗ «НГУ»)
канд. фіз.-мат. наук В.А. Мащенко
(Рівненський державний гуманітарний
університет)
МЕТОД ОЦІНКИ ВЕЛИЧИНИ ПОВЕРХНЕВОЇ ЕНЕРГІЇ ГІРСЬКИХ
ПОРІД
В рамках модели поверхностных дефектов предложен метод оценки поверхностной
энергии горных пород. Локализация поверхностных дефектов в горных породах определяет-
ся распространением поверхностных акустических волн Рэлея. На основании уравнения Рэ-
лея для продольных, поперечных и поверхностных волн проведена оценка коэффициента по-
верхностного натяжения горной породы и проведен расчет энергии разрушения при динами-
ческом техногенном процессе.
METHOD FOR EVALUATING RATE OF SURFACE ENERGY IN THE
ROCKS
Within the model of surface defects, a method for evaluating rate of surface energy in the rocks
is proposed. Localization of the surface defects in rocks is determined by propagation of surface
acoustic Rayleigh’s waves. Basing on the Rayleigh equation for the longitudinal, transverse and
surface waves, coefficient of the rock surface tension is evaluated, and breaking energy in dynamic
technological processes is calculated.
Вступ.
Аналіз природи динамічних техногенних процесів є актуальним і важливим
питанням з точки зору безпечної експлуатації геотехнічних систем (ГТС). Тех-
ногенні явища, що обумовлені безпосередньою і опосередкованою дією геоме-
ханічних рухів на об’єкти ГТС визначаються процесом реакції гірського масиву
внаслідок накопичення запасів потенціальної енергії пружних деформацій гір-
ської породи в геотехнічній системі і обмеженої її дисипації. В процесі динамі-
чного техногенного явища енергія різних частин гірських масивів змінюється і
перерозподіляється у відповідності із законом збереження енергії, а її баланс
при такому процесі в ГТС можна представити наступним чином [1]
BCБp
i
i WWWKWW +++Δ+=∑ , (1)
де Wі – складові енергії, що надходить і акумулюється в ГТС за рахунок дина-
мічних процесів та пружних деформацій в гірських породах; Wp – енергія, що
витрачається на руйнування оточуючих порід; ΔK – кінетична енергія уламків
матеріалу, що руйнується; WБ – енергія, що поглинається боковими породами
поблизу місця динамічного техногенного явища; WС – енергія сейсмічних коли-
вань; WВ – енергія ударної повітряної хвилі.
Головним чинником при аналізі енергетичного балансу є розрахунок вели-
чини Wp, важливий не тільки для оцінки перерозподілу енергії при динамічному
техногенному процесі, а і для визначення фізичних умов нестійкості (в тому
59
числі і енергетичних) при математичному розв’язку задач гірничої геомеханіки.
Оцінку величини Wp проводять за наступними співвідношеннями [1]
pp gSW = ; (2)
102 SgWp Δ= , (3)
де g – ефективна поверхнева енергія, Sp – сумарна поверхня частинок породи,
що руйнується, g0 – енергія, що поглинається на одиниці площі перерізу мате-
ріалу, що руйнується; ΔS1 – збільшення породної поверхні виробки (величина в
двічі більша від величини ΔS сумарного приросту площі породи і покрівлі ви-
робки).
Зважаючи на те, що співвідношення (2) і (3) визначають одну і ту ж величи-
ну, експериментальне значення одного із параметрів (g, g0) правих частин рів-
ностей дає можливість провести оцінку величини Wp, та провести кореляцію
між ними та величинами Sp і ΔS1, які відповідно характеризують певним чином,
структуру породи, що руйнується та геомеханічний процес руйнування об’єкту
ГТС.
Метою роботи є оцінка величини поверхневої енергії, при руйнуванні гірсь-
ких порід, на основі моделі поверхневих дефектів.
Обґрунтування моделі поверхневих дефектів.
Процес руйнування гірничої породи з точки зору енергоємності можна ото-
тожнювати із послідовним поглинанням енергії площинними дефектами, в реа-
льних умовах за наявності поверхневих сил. Оскільки площинні дефекти пере-
важно знаходяться і фіксуються на поверхні, а структура поверхні відрізняється
від структури породи в об’ємі, вони є джерелом збудження поверхневих енер-
гетичних і ентропійних станів, що пов’язані з локальною рухливістю структур-
них елементів гірничої породи. При цьому під структурою будемо розуміти су-
купність стійких зв’язків породи (як системи в цілому), які забезпечують її цілі-
сність і тотожність.
Поверхневі площинні дефекти, з точки зору структурної організації гірської
породи, можуть сприяти виникненню коливань великої амплітуди в локальній
області, що еквівалентне поширенню пружних збурень у вигляді поверхневих
акустичних хвиль (ПАХ) Релея, які є суперпозицією поздовжніх (l) та попере-
чних коливань (t). В такому випадку поглинання енергії на поверхні дефектної
області, яка в першу чергу є межею поділу матеріалу, що руйнується, буде ви-
значатися коефіцієнтом поверхневого натягу (γs) гірничої породи, що в запро-
понованій моделі еквівалентний значенню величини g.
Дисперсійне рівняння для ПАХ Релея з врахуванням поверхневого натягу
має наступний вигляд [2]
( ) ( ) ( ) ( ) 042 222
1
2222
1
222
1
22222 =−
μ
γ
−−−−− RtlR
s
RtRlRtR kkkkkkkkkkk (3)
60
де
R
Rk
υ
ω
= ,
l
lk
υ
ω
= ,
t
tk
υ
ω
= – хвильові числа релеївської, поздовжньої та попере-
чної хвиль; Rυ , lυ , tυ – відповідно швидкості поширення релеївської, поздовж-
ньої та поперечної хвиль; ω – циклічна частота коливань; μ – модуль зсуву
гірської породи.
Проводячи вимірювання на фіксованій частоті швидкостей поширення по-
здовжньої, поперечної та релеївської хвиль з достатньою точністю можна ви-
значати величину поверхневого натягу γs із рівняння (3) із врахуванням впливу
різних факторів: температури, тиску адсорбції і т.д.. Вимірювання на декількох
частотах можуть бути джерелом інформації для оцінки абсолютного значення
величини поверхневого натягу [3].
Для моніторингу поведінки об’єктів ГТС у межах показників моделі, що
пропонується, потрібне врахування сейсмоакустичних властивостей гірських
порід, що мають виражену площинну структуру із наявністю контрастних за
проявами дефектів у пружному середовищі – матриці. Із усієї різноманітності
гірських порід можна виділити декілька класів, що представляють інтерес з
практичної точки зору. По-перше, це породи для яких дефекти, що пов’язані із
площинною структурою, проявляються при експериментальних дослідженнях у
реальних умовах при поширенні акустичних хвиль. Пісковики є типовим при-
кладом таких порід, пружні і дисипативні властивості яких суттєво визнача-
ються їх мікроструктурою, а наявність флюїдонасичення надає додатковий си-
льний вплив на дисперсію і дисипацію сейсмічних та акустичних хвиль. У та-
кому випадку важливим фактором виступає частота релеївської хвилі, що ви-
значає її дисперсію, а відповідно і абсолютне значення величини γs. Теоретичні
розрахунки проведені в роботі [3] показують, що дисперсія обумовлена харак-
терною структурою поверхні пропорційна величині ω4 і при зміні частот від
100 до 200 МГц буде на порядок меншою за дисперсії поверхневого натягу.
В експериментальних дослідженнях по розсіюванню ультразвукових хвиль в
зернисто-пористих середовищах інтенсивність хвилі, що пройшла через зразок,
зменшується за законом ( )( )xexp ωα− , х – відстань вздовж напрямку поширен-
ня; ( )ωα – коефіцієнт поглинання, що залежить від частоти хвилі і з врахуван-
ням фрактальної геометрії поверхні зернисто-пористого простору визначається
наступним співвідношенням [4]
( ) γωωα ~ , (4)
де fds +=γ ; в області стохастичного розсіювання довжина релеївської хвилі λR
~ δ; δ – характерний розмір зерна (пори) в матеріалі (s = 2); df – фрактальна
розмірність поверхні зернисто-пористого простору.
Зміну інтенсивності релеївської хвилі на поверхні, як суперпозицію поздов-
жніх та поперечних хвиль, будемо характеризувати глибиною проникнення
61
( )νz у гірську породу, що є функцією коефіцієнта Пуассона (ν), і визначимо
наступним чином [5]
( ) ( ) RAz λν=ν , (5)
де Rλ – довжина хвилі Релея, ( ω
πυ
=λ R
R
2
); ( )νA – число, при якому відношення
амплітуди зміщення в напрямку нормалі uz до амплітуди зміщення в напрямку
нормалі на поверхні uz0 рівне
1−e ( e – основа натурального логарифму).
Зміщення в напрямку нормалі, без врахування фазового множника визначи-
мо виразом [2]
( ) ( )
2
2 2
2exp exp
2
R
z
R t
ku Aq qz sz
k k
⎛ ⎞
= − − −⎜ ⎟−⎝ ⎠
, (6)
де 222
tR kks −= ; 222
lR kkq −= .
Коефіцієнт Пуассона при відомих значеннях швидкостей поширення поздо-
вжньої та поперечної хвилі визначається наступним чином [6]:
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜
⎝
⎛
υ
υ
−
⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜
⎝
⎛
υ
υ−
=ν
2
2
12
2
t
l
t
l
(7)
Величина γ у співвідношенні (4) для пісковика, фрактальна розмірність по-
верхні якого df рівна 2,07 – 2,40 [7], задовільно корелює із показником ступеня
при частоті ПАХ Релея, що характеризує величину дисперсії хвилі. Отримані
теоретичні результати вказують на те, що процеси дисперсії і дисипації сейсмі-
чних та акустичних хвиль мають однаковий механізм в якому приймають
участь одні і ті ж структурні елементи (зерна, пори), сумірні із довжиною реле-
ївської хвилі.
Результати та їх обговорення.
Експериментальні дослідження швидкостей поширення поздовжніх і попе-
речних хвиль за методикою роботи [8] для різного класу пісковиків показали,
що значення υl і υt відповідно лежать у діапазонах
3180 ÷ 3430 м/c та 2100 ÷ 1780 м/c, при цьому коефіцієнт Пуассона змінюється
в межах 0,11 ÷ 0,32.
За швидкістю поширення поперечних хвиль υt і коефіцієнтом їх поглинання
αt визначався модуль зсуву за співвідношенням [8]
62
( )2
1
22 μ′′+μ′=μ , (8)
де μ′ і μ″ – дійсна і уявна частина модуля зсуву;
2
2
22
2
22
2
1
1
⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜
⎝
⎛
ω
υα+
ω
υα−
ρυ=μ′
tt
tt
t ; 2
2
22
2
1
2
⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜
⎝
⎛
ω
υα
+
ω
υα
ρυ=μ′′
tt
tt
t ; ρ – щільність пісковиків.
Швидкість поширення хвиль Релєя оцінювалась за співвідношенням [9]:
ν+
ν+
=
υ
υ
1
121870 ,,
t
R
(9)
При відповідних значеннях величини ν швидкість поверхневої хвилі Релея
знаходиться в діапазоні 1870 ÷ 1590 м/c. При частотах 100 – 200 МГц довжина
хвилі Релея λR буде лежати відповідно в межах 18 ÷ 9 мкм і 16 ÷ 8 мкм для ін-
тервалу зміни величини ν. Оцінка величини проникнення ПАХ за співвідно-
шенням (5) показує, що в інтервалі зміни величини коефіцієнта Пуассона зна-
чення ( )νz лежить в межах (0,62 ÷ 0,64)λR (рис.1).
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
0 0,25 0,5 0,75 1 1,25 1,5 1,75 2
Відносна глибина проникнення ПАХ
Ві
дн
ос
на
а
мп
лі
ту
да
Рис. 1 - Залежності відносних амплітуд у релеївській хвилі від відносної глибини поши-
рення ПАХ для середовищ з коефіцієнтом Пуассона 1) ν = 0,32; 2) ν = 0,11.
Пустотілість пісковиків досліджена методом ртутної порометрії із пластів
шахт Донбасу показала, що вони мають чотири рівня структурної організації
відносно пор – мікропустоти, перехідні пори, субмакропори і макропори з від-
повідними характерними розмірами: 0,003 – 0,01 мкм; 0,01 – 0,1 мкм;
0,1 – 1,0 мкм; 1 – 3 мкм [7]. Отримані теоретичні оцінки глибини проникнення
uz
uz0
z/λR
1
2
63
ПАХ показують, що поверхнева релеївська хвиля як збурення сумірна із розмі-
рами макропор пісковиків.
Теоретична оцінка величини γs для пісковиків при модулі зсуву, що знахо-
диться в межах (0,8 ÷ 1,1)⋅104 МПа, залежиться лінійно від частоти релеївської
хвилі і відповідно дорівнює (4,7 ÷ 6,6)⋅104 Дж/м2 при 100 МГц і (2,4 ÷ 3,3)⋅104
Дж/м2 при частоті 200 МГц.
Поверхня руйнування пісковиків за даними роботи [10] має порядок 104
м2/м3, відповідно величина енергії Wp може знаходиться в межах (2,4 ÷ 6,6)⋅108
Дж/м3. Величина 2g0 для міцних пісковиків може складати (0,5 ÷ 1)⋅106 Дж/м2
[11], що в свою чергу дає оцінку величини ΔS1 порядку не більше 103 м2.
Висновки.
Отримані теоретичні результати вказують на адекватність моделі поверхне-
вих дефектів, у вигляді поширення поверхневих хвиль Релея, для оцінки коефі-
цієнта поверхневого натягу, а відповідно і поверхневої енергії, гірської породи.
Оцінка енергії, що витрачається на руйнування оточуючих порід, при дина-
мічному техногенному процесі виражена через поверхневу енергію гірської по-
роди дає можливість провести комплексний аналіз складових енергетичного
балансу, як факторів зовнішнього збурення на структурні складові ГТС із від-
повідною зміною їх енергетичного стану.
СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ
1. Петухов И.М. Механика горных ударов и выбросов / И.М. Петухов, А.М. Линьков А.М. – М., Недра,
1983. – 280 с.
2. Красильников В.А Введение в физическую акустику / В.А. Красильников, В.В. Крылов. – М.: Наука,
1984. – 400 с.
3. Красильников В.А. Дисперсия волн Рэлея, обусловленная поверхностным натяжением /
В.А. Красильников, В.В. Крылов. // Акустический журнал. – 1979. – Т. 25. – Вып. 3. – С. 408 – 412.
4. Мосолов А.Б. Фракталы, скейлинг и геометрия пористых материалов / А.Б. Мосолов, О.Ю. Динариев //
Журнал технической физики. – 1988. – Т. 58. – № 2. – С. 233 – 238.
5. V.V. Klepko. Contrition of Surface Rayleigh Waves to the Heat Capacity of Poly(vinyl chloride) /
V.V. Klepko, B.B. Kolupaev, E.V. Lebedev, V.A. Mashchenko // Polymer Science. – Ser. A. – 2009.
– V. 51. – N 9. – P. 986 – 990.
6. Ландау Л.Д. Теория упругости / Л.Д. Ландау, Е.М. Лифшиц. – М.: Наука, 1985. – 245 с.
7. Булат А.М. Фракталы в геомеханике / А.М. Булат, В.И. Дырда. - К.: Наукова думка, 1995. – 358 с.
8. Мащенко В.А. Експериментальна установка для вимірювання пружних параметрів гірських порід /
В.А. Мащенко, О.О. Панчук, І.О.Садовенко, М.А. Бордюк // Вісник інженерної академії. – 2012.
– Вип. 3. – С. –21 –26 .
9. Викторов И.А. Звуковые поверхностные волны в твердых телах / И.А. Викторов – М.: Наука, 1981. –
288 с.
10. Абрамов Ф.А. Свойства выбросоопасных песчаников как породы-коллектора / Ф.А. Абрамов,
Г.А. Шевелев. – К.: Наукова думка, 1972. – 98 с.
11. Теория защитных пластов / [И.М. Петухов, А. М. Линьков, В.С. Сидоров, И.А. Фельдман]. – М.: Недра,
1976. – 224 с.
64
УДК [622.831.322:551.24].001.6
Канд. техн. наук П.Е. Филимонов
(ПАО «Шахта им. А.Ф. Засядько»)
ОСОБЕННОСТИ ПРОВЕДЕНИЯ И КРЕПЛЕНИЯ МОНТАЖНОГО
ХОДКА 18 ЗАПАДНОЙ ЛАВЫ ПЛ. m3 ПАО «ШАХТА ИМ. А.Ф.
ЗАСЯДЬКО»
Розроблено спосіб прогнозу й попередження раптових викидів вугілля, породи й газу:
буріння випереджальних свердловин з контролем ефективності по параметрах акустичного
сигналу, з контролем викидонебезпечності та небезпеки раптових видавлювань по парамет-
рах акустичного сигналу при роботі комбайна. Викладено особливості проведення й кріп-
лення монтажного ходка 18-ї західної лави пл. m3 ПАТ «Шахта ім. О.Ф. Засядька» із застосу-
ванням розробленого способу.
SPECIFICS OF DRIVING AND SUPPORTING PASSAGE FOR EQUIPMENT
INSTALLATION IN THE 18th WESTERN LONGWALL, LAYER m3, AT
THE A.F. ZASYADKO MINE
A new method is developed to forecast and prevent sudden coal, rock and gas outbursts,
which includes drilling of pilot holes with efficiency control by parameters of acoustic signal and
control of risk of sudden outburst and heaving by parameters of acoustic signal when a combine op-
erates. The author describes specifics of driving and supporting passage for equipment installation
in the 18th western longwall, layer m3, at the A.F. Zasyadko Mine, with the help of the method.
Проведение и крепление монтажного ходка 18 западной лавы пл. m3 ПАО
«Шахта им. А.Ф. Засядько» осуществлялось в соответствии с требованиями
"Правил безопасности в угольных шахтах" [1], "Инструкции по составлению
паспортов выемочного участка, проведения и крепления подземных выработок"
[2], "Правил ведения горных на пластах склонных к газодинамическим явлени-
ям" [3], "Инструкции. Эндогенные пожары в угольных шахтах Донбасса. Пре-
дупреждение и тушение" [4], "Технологических схем разработки пологих пла-
стов на шахтах Украины", "Комплекса мер по борьбе с внезапными выбросами
угля, породы и газа" и другой нормативной и справочной документации при
отработке пл. m3.
Основные технические параметры проведения выработки следующие. Вы-
работка проводится по пласту m3 с подрывкой боковых пород; угол наклона
выработки +90; угол падения пласта 90; глубина залегания выработки 1370-1320
м; длина выработки полная – 310 м, проводимая - 310 м; способ проведения
выработки - комбайновый; тип оборудования - комбайн КСП-32, для бурения
шпуров СЭР-1м; средства транспортирования горной массы конвейеры 1Л80,
2ЛТП 1000; тип рельсов - Р-24; материал шпал - металлические (через 0,7 м);
диаметр трубопровода противопожарно-оросительного – 150 мм, сжатого воз-
духа - 150 мм [2].
При проведении и крепления монтажного ходка 18 западной лавы был при-
менен способ прогноза и предупреждения внезапных выбросов угля, породы и
газа, который включал бурение опережающих скважин с контролем эффектив-
ности по параметрам акустического сигнала, с контролем выбросоопасности и
опасности внезапных выдавливаний по параметрам акустического сигнала при
|