ИННОВАЦИИ БИЗНЕСУ

Результат выполнения научно-исследовательской работы.

Глубина горных выработок на Таштагольском руднике составляет более 8Ч10 ² м. Горные работы ведутся на глубине 10 ³ м. Плотность горных пород равна (3ё5)Ч10 ³ кг/м ³. Средняя величина вертикальной составляющей горного давления на глубине 10 ³ м равна 4Ч10 ⁷ Па. Горизонтальная составляющая (боковые давления) на отдельных участках шахтного поля в 2-4 раза превосходит вертикальное давление и достигает величины 1,6Ч10 ⁸ Па. Средняя величина отбиваемой рудной массы при мссовом взрыве составляет 5Ч10 ⁸ кг. В трех-четырех километрах от шахтного поля находятся участки подвижек плит или мегаблоков (очаги землетрясений).

При одновременном действии нескольких факторов на отдельных участках массива вокруг горных выработок результирующее давление достигает величины предела прочности пород. Предельная величина при разрушении образцов пород с помощью механического пресса методом сжатия составляет около 4Ч10 ⁸ Па и около 3Ч10 ⁷ Па при разрушении методом растяжения.

До начала 1980 г. процессы горного давления и эмиссионных явлений массива пород при любых условиях рассматривались с точки зрения классических представлений. С начала восьмидесятых годов автором начата разработка теории массива пород в рамках единой теории для макро- и микротел. Энергия очагов горных ударов оценивались приближенно по результатам производимых ими разрушений и сейсмических эффектов. По новой теории энергетические и прочностные характеристики массива горных пород и его компонентов рассчитываются теоретически и определяются экспериментально с применением параметров регистрируемых фотонов на фиксированных частотах. Аппаратура для регистрации фотонной эмиссии в оптическом диапазоне (100-1200 нм) представлена на рис. 1 - рис. 3.

При хрупком разрушении горных пород наблюдаются эмиссионные процессы. Низкочастотное электромагнитное излучение (от десятков герц до десятков мегагерц) происходит, главным образом, благодаря перемещению дислокаций, их торможению вблизи препятствий, ускорению зарядов, ускорениям развивающихся трещин в процессе их устойчивого роста. Высокочастотное излучение в диапазоне длин волн от 10 ^-6 до 10 ^-11 м возможно только возбужденными атомами при переходе электронов с более высших орбит на более низкие. Возбуждаться атомы могут при нагревании, облучении, химической реакции, воздействии электрическим током и механическом воздействии.

Электромагнитное излучение в радио диапазоне возникает за счет колебания свободных зарядов в кристаллической решетке минералов (дискретного изменения энергии объемного заряда). Возбуждение зарядов происходит под действием колебаний ионов решетки при ее деформировании. Изменения энергии происходят только на дискретные величины.

Оптическое излучение обусловлено изменениями состояния электронов, находящихся на внешней электронной оболочке. Атомы с избытком или недостатком внешних электронов представляют ионы. Поэтому возбужденные ионы имеют оптический спектр излучения. Возбуждение электронов атома вызывает излучение в диапазоне ультрафиолетового света. Чем ближе электрон к ядру, тем выше излучаемая им при переходах частота и сильнее связь с ядром. Рентгеновское излучение исходит из внутренней, ближайшей к атомному ядру электронной оболочки, что подтверждается высокой частотой излучения. Из принципа соответствия энергии и массы следует, что разности энергий квантовых состояний электронов, соответствующие рентгеновскому излучению, значительны (1,6Ч10 ^-16ё1,6Ч10 ^-14 Дж).

Рентгеновские спектры атомов с увеличением их порядкового номера сдвигаются в сторону более высоких частот и в отличие от оптических спектров не проявляют периодических изменений.

В породах, включающих радиоактивные элементы, существует гамма излучение, которое возникает в процессе естественного распада этих элементов. Гамма кванты, сталкиваясь с атомами пород на берегах трещин, выбивают из них световые фотоны.

В зависимости от степени возбуждения атомов пород свет может испускаться отдельными фотонами, импульсами - ''пачками'' фотонов и непрерывным потоком фотонов.

При образовании микротрещин излучаются импульсы, состоящие из пачек фотонов различной интенсивности. Релаксация элементарных возбуждений, возникающих в спрессованном массиве при больших давлениях, сопровождается непрерывным потоком фотонов. В создании свечения, вызываемого хрупким разрушением пород, участвуют процессы нескольких видов свечений, как трибо-, электро-, катодо- и хемилюминисценции. Общее свечение пород и руд представляет механолюминисценцию.

Обычная величина свечения пород, регистрируемая в натурных условиях, составляет 10 ^-15ё10 ^-12 Вт. Но она возрастает на много порядков во время горных ударов. Причем, если ЕЭМИ пород включает широкий спектр частот радио диапазона, то при динамических проявлениях массива появляются излучения также высокочастотных диапазонов.

В процессе образования трещин в массиве горных пород, их свежие поверхности эмитируют электроны высоких энергий, которые проникают вглубь атомов противоположных бортов и переводят их близкие к ядру электроны на более высокие энергетические уровни. При последующем переходе удаленных от ядра электронов на освободившийся уровень испускаются кванты, длины волн которых лежат в рентгеновской области. Кроме того, налетающие электроны тормозятся, проникая в оболочку, и теряют часть своей энергии в форме электромагнитного излучения с широким спектром частот. Это тормозное излучение обладает непрерывным спектром значений с верхней границей

,

гдеe- заряд электрона;u- разность потенциалов между берегами трещин.

Если воспользоваться оценкой А.А. Воробьеваu=10 ⁴-10 ⁵В, то можно получитьn_макс=10 ¹⁸ё10 ¹⁹ Гц, то естьn_макс=10 ^-11ё10 ^-10 м, что соответствует рентгеновскому излучению. Таким образом, при электрических разрядах в углах трещин хрупкого разрушения возникает излучение от видимой до рентгеновской части спектра.

Основу задач исследований составляет установление связи между излучающими компонентами массива горных пород и излученными фотонами.

Рис. 1. Детекторы для приема фотонной эмиссии:

а- в лабораторных (1-ФЭУ-140, 2-ФЭУ-79, 3-ФЭУ-112 и ФЭУ19М) и натурных (5-ФЭУ-142 или ФЭУ-80, 6-ФЭУ-83 или ФЭУ-112, 7-ФЭУ-18А) условиях; б - со снятым корпусом (1 - светонепроницаемый экран защиты окна ФЭУ, 2 - свинцовый экран для защиты боковых поверхностей ФЭУ, 3 - ферромагнитный экран, 4 - вьпрямитель-делитель напряжения, 5 - экран трансформатора, 6 - генератор-преобразователь напряжения, 7 - стабилизатор питания, усилитель с противоположной стороны плато).

Рис. 2. Измеритель фотонной эмиссии ИФЭ-1М:

1 - крышка прибора; 2 - цифровое показывающее табло; 3 - кабель передачи информации и питания датчика; 4 - кнопка «измерение»; 5 - разъем подключения зарядного устройства; 6 - переключатель «время измерения»; 7 - питание датчика; 8 - переключатель «чувствительности» (ослабление входного сигнала, раз); 9 - регулятор «режима питания ФЭУ»; 10 - кнопка «контроль счетчика»; 11 - «вход датчика»; 12 - корпус датчика; 13 - «выход датчика»; 14 - штуцер для подсоединения досылочных штанг; 15 - «питание датчика»; 16 - ремень для переноски прибора; 17 - кнопка «контроль питания»; 18 - стрелочный показывающий прибор для измерения амплитуды импульсов.

Рис. 3. Измеритель фотонной эмиссии ИФЭ-2М:

1 - крышка прибора; 2 - цифровое показывающее табло; 3 - радиочастотный кабель передачи информации и питания датчика; 4 - разъёмx₁для подсоединения кабеля питания датчика; 5 - разъём у ₁ для подсоединения кабеля передачи информации; 6 - кнопка «сброс -измерение»; 7 - переключатель «время счёта импульсов»; 8 - разъём Х ₂ датчика; 9 - разъём У ₂ кабеля передачи информации; 10 - кнопка «контроль счетчика»; 11 - разъём подключения зарядного устройства; 12 - питание датчика; 13 - регулятор «режим питания ФЭУ»; 14 - вход датчика; 15 - переключатель «чувствительности»; 16 - корпус датчика; 17 - крышка датчика; 18 - тумблер «включение»; 19 - кнопка «контроль питания - измерение»; 20 - стрелочный показывающий прибор-измеритель амплитуды импульсов (мощности излучения); 21 - ремень для переноски прибора.