ИННОВАЦИИ БИЗНЕСУ

«Частное техническое решение, имеющее самостоятельное значение».

Используемые в настоящее время классические параметры горных пород - упругость, прочность, электропроводность и другие - не позволяют объяснять микропроцессы, происходящие в массивах. В данной работе рассматриваются результаты исследований закономерностей эмиссии фотонов и заряженных частиц в шахтных условиях. В зависимости от своей энергии фотоны, излучаемые в шахтных условиях, выступают в виде радиоволн, обычного света, рентгеновских лучей, жесткихg-квантов. Данную область исследований чл.-кор. АН КазССР А.Ж. Машановым предложено называть термином «геоэмиссия».

Экспериментальные исследования параметров фотонной эмиссии (ФЭ) горных пород при их механическом деформировании и разрушении выполнены с помощью приборов ЕГ-6, ИФЭ-1, ИФЭ-2, ДРГЗ-01 и ДРГЗ-02.

Регистрация естественной ФЭ проводилась в условиях Таштагольского и Артемовского рудников. На шахте № 6 Артемовского РУ глубина горных разработок составляет 3,5Ч10 ² м. Добыча полезных ископаемых ведется при обычном прохождении горных выработок методом взрыва ВВ. Регистрируемые параметры ФЭ примерно на два порядка меньше, чем на шахте Таштагольского РУ, где глубина горных разработок составляет 8Ч10 ² м, а горные работы ведутся на глубине 10 ³ м. Плотность горных пород (на обеих шахтах примерно одинакова) равна (3ё5)Ч10 ³ кг/м ³. Горизонтальная составляющая в 2,5-2,7 раза превосходит вертикальное давление и достигает величины
3Ч10 ⁷ё1Ч10 ⁸ Па. Предел прочности пород на растяжение составляет 1,5Ч10 ⁷ё3Ч10 ⁷ Па. Средняя величина массы разрушаемого рудного блока при массовом взрыве равна (3ё5)Ч10 ⁸ кг.

На расстоянии трех-четырех километров от шахтного поля имеются очаги землетрясений. Основная часть динамических проявлений массивов на шахте связана с интенсивным ведением горных работ.

Атомы горных пород в основном имеют ионную связь. Молекулярная часть в виде газов и воды, входящая в состав пород, не превышает 1-2,5 % их общей массы. В богатой руде связь осуществляется также с помощью обобществленных электронов. Суммарное объемное действие электрических зарядов образует кулоновские силы, которые ответственны за твердое состояние пород и их прочность.

Измерениями с поверхностей выработок с помощью приборов ЕГ-6 в радиоволновом диапазоне и ИФЭ-2 в ультрафиолетовом диапазоне длин волн 160-300 нм установлено, что интенсивность ФЭ растет с увеличением глубины положения горных выработок относительно дневной поверхности, то есть с увеличением величины горного давления. Измерения параметров ФЭ с поверхностей выработок позволяют обнаруживать участки естественных нарушений целостности массива. При нагружении участка массива за счет перераспределения геомеханических напряжений в местах трения блоков наблюдается повышенная интенсивность ФЭ. Она также зависит от активности процессов трещинообразования и размеров разрушения.

Измерениями с поверхностей скважин с помощью прибора ИФЭ-1 установлено, что по скорости счета импульсов можно определять положения зон опорного давления относительно контура выработки и оценивать степени удароопасности участков пород.

Для поддержания процесса ФЭ необходим постоянный приток энергии к измеряемому участку. Экспериментально установлено, что приток энергии может осуществляться от источников (массовые взрывы ВВ), расположенных на расстояниях более
100 м. Измерениями смещения максимумов ФЭ в глубоких скважинах определено, что средняя скорость перемещения энергии в массиве составляет 3Ч10 ^-4ё3Ч10 ^-3 м/с. Энергия передается за счет ионных столкновений и имеет квантовую природу. Средний диапазон квантов энергий, передаваемых от иона к иону за счет их периодического возбуждения и релаксации, по оценке регистрируемой ФЭ составляет 0,4ё4,2 эВ. Выше приведенное значение скорости совпадает с расчетной скоростью передачи энергии от участков массовых взрывов ВВ до мест инициируемых ими горных ударов в первые два дня после их проведения.

Возбуждение ионов в породах за счет притока механической энергии в отличие от их возбуждений другими способами заключается в том, что сначала энергию принимают более слабо связанные ионы. По мере их раскачки энергия последовательно передается ионами и с более сильными связями, а при достижении величины 0,19 эВ она начинает возбуждать валентные электроны. Насыщение энергией валентных электронов приводит к последовательному возбуждению внутренних и ближних к ядру электронов.

Распределение энергии между ионами и атомами осуществляется благодаря тому, что кванты энергии ионных связей и атомных уровней имеют кратные друг другу значения. Возбужденные состояния ионов и атомов являются нестабильными и характеризуются внутренними свойствами электронов и самих атомов. Каждое возбуждение через определенное времяtспонтанно распадается и происходит неизбежная передача кванта энергии одному из соседних ионов. Передача энергии за счет ионных возбуждений происходит 1Ч10 ^-6 с, а время возбуждения атома или распада его возбуждения в зависимости от глубины возбуждаемого уровня может составлять 10 ^-7ё10 ^-9 с. Учитывая, что время возбуждения иона и его последующего распада в среднем составляет 2t, а диаметр иона и расстояние между двумя ионами - 2r _aЧ2, можно рассчитать, что миграция энергии в массиве за счет ее передачи квантами может осуществляться со скоростью, находящейся в пределах величин:

, (1)

гдеr _a -классический радиус атома.

Причем, первая волна упругой энергии передается со скоростьюv_ср.= 10 ²ё10 ³ м/с за счет действия объемного заряда, приводящего к направленному смещению кристаллических решеток минералов.

Энергия всех возбуждений, зависящих от глубины их заселения по уровням атомов и их номеров, составляет потенциальную энергию конкретного участка пород. Величина максимально возможной потенциальной энергии любого участка массива определяется ее значением, необходимым для разрушения промежуточных пород между очагом накопления и местом релаксации (горной выработкой). Оценка энергии собственно горных ударов показывает, что она накапливается за счет возбуждения всей электронной структуры атомов. Эта энергия в зависимости от удаленности от горной выработки и литотипа пород может иметь значение

e_hom=e_uvё137 ²e_uv»2,7Ч10 ¹¹ё5,0Ч10 ¹⁵ Дж/м ³, (2)

гдеe_uv- объемная плотность энергии ионных связей.

Закономерность заселения ионных и атомных уровней возбуждениями позволяет объяснять различия в величинах геомеханических напряжений в породах с разным химическим составом. Породы, основную часть массы которых составляют атомы с большими номерамиz,накапливают большую энергию и выделяются по излучению более высоких частот ФЭ. В массивах участки с более плотной породой накапливают большую энергию, объем их увеличивается и при этом разрушаются менее плотные и менее прочные контактирующие с ними породы. Мощность излучения оптического диапазона частот горных пород составляет 10 ^-15ё10 ^-9 Вт, а скорость счета импульсов -
20ё40000 имп/с.