ИННОВАЦИИ БИЗНЕСУ

Результат выполнения научно-исследовательской работы.

При сильном возбуждении ионных и атомных уровней величина их общей потенциальной энергии на локальных участках массива пород может стать соизмеримой с энергией химических связей (величина механических напряжений достигает величины предела прочности пород). Это приводит к динамическим проявлениям краевой части массива. Например, повышение геомеханических напряжений в массивах пород, залегающих вокруг отрабатываемого с помощью массовых взрывов ВВ рудного штока, как в рудниках Горной Шории, вызывает изменения межионных расстояний в минералах. По этой причине между ионами нарушается равновесие кулоновских сил. При достижении энергии взаимодействия ионов величины 0,2 эВ и более начинается возбуждение атомов, то есть накапливание опасной по горным ударам потенциальной энергии. Поэтому исследование механизмов ее накопления является актуальным.

По мере роста величины геомеханических напряжений возбуждения последовательно заселяют более глубокие атомные уровни, при этом постепенно возрастает потенциальная энергия загружаемой части массива, о чем свидетельствует увеличение регистрируемой частоты фотонной эмиссии (ФЭ). Если фоновое излучение в выработках в оптическом диапазоне частот составляет (2,5Ч10 ¹⁴ - 3Ч10 ¹⁵ ) Гц, то при достижении напряжений величины 0,7 - 0,9 значения предела прочности пород, излучаемая частота возрастает до (8,3Ч10 ¹⁵ - 3,9Ч10 ¹⁸) Гц и более, табл.1.

Таблица 1

Параметры энергий и фотонной эмиссии массивов горных пород

Таштагольского месторождения

Механизм накопления потенциальной энергии связан с характером плавного изменения горного давления в массивах пород. При любой скорости изменения энергии взаимодействия ионов передача ее (распад возбуждения - высвечивание - возбуждение соседнего атома) происходит скачкообразно, примерно за (10 ^-6 - 10 ^-8) с. Процессы квантового характера передачи энергии в массиве связаны с закономерностью квантования ионов, атомов и ядер. Последние задают механизм квантования. Ионы, электроны, нуклоны имеют энергии уровней, равные энергиям их связей и энергиям фотонов с граничными частотами, то есть частицы при их выбросе оказываются квантами собственных физических полей.

Исследования механоэмиссии горных пород показывают, что их деформирование и разрушение сопровождается электромагнитным излучением в различных диапазонах, а также излучением и самих заряженных частиц: возбуждение связей валентных электронов в атомах сопровождается излучением инфракрасного, видимого и ультрафиолетового (6240 -45) нм света и экзоэлектронной эмиссией, возбуждение связей внутренней электронной подсистемы в атомах приводит к излучению высокочастотной части ультрафиолетового света, рентгеновскому излучению и эмиссии быстрых электронов, а электрическое возбуждение ядер сопровождается гамма-излучением и эмиссией нейтронов.

По результатам исследования массивов горных пород Таштагольского месторождения в пределах шахтного поля методами фотонной эмиссии и эффективного электрического сопротивления, а также исследования горных массивов в зоне сдвижения и вне шахтного поля методом естественного электрического потенциала в периоды землетрясений с 1987 года по 1990 год, отмечено, что сильные изменения электрического поля, сопротивления и ФЭ связаны с изменениями напряженного состояния огромных объемов горных пород, исчисляемых сотнями кубических километров, высвобождающих энергию в течение процессов, сопровождающих землетрясения.

Распределение потенциальной энергии в атомах осуществляется на кратные величины, пропорциональные постоянной Планкаh, то есть горные породы совместно с составляющими их ионами и атомами образуют систему с единой закономерностью квантования всей структуры уровней энергии электрических связей.

Зная количество атомов в единице объема, можно определять энергоемкость стационарного состояния пород на данной глубине, а по максимальной регистрируемой частоте можно определять глубину заселения возбуждениями атомов и рассчитывать накопленную потенциальную энергию пород исследуемого участка.

При экспериментальном определении потенциальной энергии участков массива горных пород предварительно определяют химический состав пород исследуемого участка массива, валентности и атомные номера элементов.

Затем регистрируют диапазоны частот ФЭ пород исследуемого участка. Измерения выполняют с поверхностей скважин на глубине 0,5…10м. методом ФЭ. В натурных условиях нагруженные породы деформированы. Этот процесс (изменения структуры пород)связан с образованием микротрещин, излучением фотонов с граничной частотой, что подтверждается эмиссией электронов. Известно, что энергии регистрируемых фотонов при данной их частоте равны энергиям соответствующих основных уровней атомов.

(1)

где Е _в.ур - энергия возбужденного уровня атома. По данным найденных величин определяют спектры энергий Е _в.ур возбужденных уровней:

(2)

гдеk =3, 2, 1 - номер диапазона частот (уровней);

z- атомный номер.

Используя уравнения (1) и (2) для различных диапазонов (колонка 4 табл.1), можно получить аналитические выражения для определения потенциальной энергии (колонка 3, табл.1) возбужденных валентных уровней

, (3)

гдеd-валентность;

n _v -количество атомов в единице объема,

уровней внутренних электронов

(4)

и ближних к ядру электронов

. (5)

Таким образом, на основе известных представлений и результатов экспериментальных исследований фотонной эмиссии в натурных условиях установлена закономерность квантования энергий связи в массиве горных пород.

Совокупность всех энергий связи компонентов массива пород представляет его потенциальную энергию.