ИННОВАЦИИ БИЗНЕСУ

«Частное техническое решение, имеющее самостоятельное значение».

Прогноз динамических проявлений массивов вокруг горных выработок с использованием способа регистрации ФЭ с помощью приборов ИФЭ-1 и ИФЭ-2 можно проводить по определенной методике, дающей наибольшую и достоверную информацию.

Осадочные и близкие к ним по механическим свойствам метаморфизованные в условиях недр породы, как мраморы, алевролиты, аргиллиты, известняки, некоторые типы песчаников и соли характеризуются тем, что имеют малый предел прочности, менее 10 МПа. Это объясняется микропористостью и микротрещиноватостью их структуры, большой дефектностью на элементарном уровне, что сильно уменьшает число ионных энергетических связей.

Другой тип пород - породы изверженного происхождения и магматические породы, образованные из расплавов - более вязкие, с меньшей пористостью и любой другой дефектностью, сохранивших большинство действующих энергетических ионных связей, имеют предел прочности выше 10 МПа, доходящей до 30 МПа. Второй тип пород - склонен к накапливанию большой упругой энергии.

Массивы, сложенные из пород первого типа, склонны к вывалам, выбросам и к самообрушению. Массивы из пород второго типа склонны к динамическим проявлениям в виде толчков и горных ударов большой разрушительной силы.

Возможность динамического проявления массива зависит от величины накопленной им потенциальной энергии и предельной прочности пород.

С точки зрения частной теории потенциальная энергия участка массива представляет совокупность энергий возбужденных ионов и атомов, химический состав которых определяет прочность пород. Интенсивность излучения зависит от количества элементарных возбуждений, то есть от величины потенциальной энергии, которая создаётся горным давлением и ведением горных работ. В создании прочности большую роль играет взаимодействие ядер атомов с электронными оболочками соседних атомов.

Рассмотрим, например, состояние участка магнетитовой руды и состояние поверхности скважины, пробуренной через данный участок в зоне опорного давления, которая находится на расстоянии в 0,9-1,6 м от обнажения горной выработки (для условий шахты Таштагольского РУ). Повышение существующих механических напряжений за счет увеличения тектонических давлений или в ходе активного ведения горных работ приводит и перераспределению энергий в зоне опорного давления.

Изменение энергии ионных связей происходит скачкообразно, квантовано. Энергия колебаний ионов передаётся валентным электронам, энергия связи которых на порядок больше энергии ионных колебаний. Каждый атом, стремясь к состоянию с наименьшей энергией, по возможности отдаёт часть своей энергии окружающим атомам. Этот процесс продолжается до полного насыщения энергией указанных уровней атомов. На участие пород зоны опорного давления потенциальная энергия не превосходит величины максимальной энергии связей валентных электронов, так как насыщение энергией последних означает, что геомеханическое напряжение достигло величины предельной прочности пород, которые при дальнейшем поступлении энергии на участок, разрушаются. Величина энергии разрушения при этом зависит от величины объема пород, достигших состояния с предельным напряжением перед разрушением. Чем прочнее породы, том в большем объеме накапливается энергия. Например, при горных ударах в выработку выбрасывается 2ё10 м ³ пород с общей площадью разрушения в несколько десятков квадратных метров. При этом глубина разрушения находится в пределах зоны опорного давления. Если очаг накопления энергии расположен в глубине массива, то его потенциальная энергия должна быть достаточной для разрыва ионных и атомных связей промежутка пород до обнажения, то есть величина разрушающей энергии зависит от размера промежутка. В этом случае энергия может накапливаться за счет возбуждения внутренних электронов. Эта энергия, в свою очередь, в 137 раз больше энергий связи валентных электронов. При этом соответственно возрастают размеры соотрясания массива. Действие на выработку может быть в виде толчка или собственного горного удара. Потенциальная энергия в зоне её накопления может при этом достигать величины Дж/м ³.

Возбужденные атомы, расположенные на поверхностях скважины и выработки, рассматриваемого участка массива, также, стремясь к состоянию с минимальной энергией, излучают фотоны, представляющие оптический диапазон. При разрывах связей атомов, образованных их валентными электронами, излучаются фотоны, характеризующие удельную энергию и прочностные свойства данной руды. Причем, на участке массива, в зоне опорного давления, в котором руда находится в состоянии предельного напряжения, возбуждены все атомы. Объемная плотность потенциальной энергии в 1 м ³ руды, содержащем м ³ атомов, составляет Дж/м ³.

Состояние руды в приконтурной зоне выработки с такой накопленной анергией является неустойчивым. На образование трещины тратится удельная энергия, меньшая плотности энергии на величину, численно равную числу атомов, приходящихся на один погонный метрn _e = 5Ч10 ⁹м ^-1. Следовательно, удельная энергия 4,25Ч10 ¹² Дж/м ³ : 5Ч10 ⁹ м ^-1 = 850 Дж/м ² по своей величине достаточна для «вспарывания» химических связей при образовании трещин.

Прочность микроблоков со средними радиусами 1,86Ч10 ^-2 - 2,55 м составляет 7,04Ч10 ¹² - 5,14Ч10 ¹⁰ Дж/м ³. С учетом коэффициента структурного ослабления она равна 7,04Ч10 ¹⁰ - 5,14Ч10 ⁸ Дж/м ³.

Таким образом, потенциальная энергия, соответствующая энергии химических связей (4,25Ч10 ¹² Дж/м ³), накопленная в зоне опорного давления, достаточна для разрушения промежуточных пород. Ввиду большой прочности магнетитовой руды и ее упругости разрушение происходит с громадным динамическим эффектом. Горный удар может быть еще более мощным, если очаг накопления потенциальной энергии находится несколько глубже в массиве относительно контура выработки и для разрушения промежуточного массива необходима большая энергия.

Если в первом случае накопление энергии происходит за счет изменения зонных структур в кристаллических решетках и превращений ионных связей в ковалентные связи, то во втором случае приток внешней энергии изменяет кристаллическую структуру: уменьшаются расстояния между атомами, в атомах происходит перестройка уровней внутренних электронов, ядра атомов начинают сильнее взаимодействовать с электронными оболочками соседних атомов за счет их сближения. Энергия межатомных взаимодействий или объемная плотность потенциальной энергии внутренних электронов составляет 7,05Ч10 ¹⁴ Дж/м ³. При горном ударе объем выброшенной породы по наблюдениям достигает примерно 10-12 м ³.

Максимальная потенциальная энергия, накапливаемая массивами при участии во взаимодействии атомов ближних к ядру электронов, равна 9,65Ч10 ¹⁶ Дж/м ³. Эта форма процесса накопления энергии достигается перед землетрясениями, при этом взаимодействующие на стыках краевые части плит дробятся на блоки.

Оценка состояний массивов выполнена с применением измерителей фотонной эмиссии и метода расчета параметров физико-механических характеристик массива горных пород.