ИННОВАЦИИ БИЗНЕСУ

Результат выполнения научно-исследовательской работы.

Цель - изучение физических процессов, определяющих величины параметров проводимостей и фотонной эмиссии кристаллов и горных пород.

Основными регистрируемыми параметрами фотонной эмиссии в натурных условиях являлись мощность излучения Ф _е, интенсивность n (имп/с) и частота n (Гц). Напряжение u (мВ) измерялось прибором МК-3.

Чувствительными элементами датчиков являются фотоэлектронные умножители. Прибор ИФЭ-2М предназначен для обнаружения и исследования опасных по динамической активности участков методом телескопического обзора поверхностей неосвещенных выработок, а прибор ИФЭ-1 - для оценки их степени удароопасности методом измерений с поверхностей скважин. При использовании в бесконтактных датчиках соответственно ФЭУ-80 и ФЭУ-112 все операции можно выполнять с помощью регистратора ИФЭ-1. Физические и механические свойства кристаллов и горных пород исследовались в лабораторных и натурных условиях. При исследовании спектральных характеристик электромагнитных волн оптического диапазона использовались установка разрушения образцов методом трения, мягкий механический пресс, светонепроницаемая измерительная камера, монохроматор УМ-2, спектрограф ДФС-12, осциллографы С1-68 и С8-13, частотомеры, фотоэлектронные умножители и другие средства выделения и приема сигнала, а также средства регистрации сигнала и питания.

Разрушалось по 50 образцов каждого типа. Установлены положения максимумов полос в спектрах свечения кристаллов: naС l - 510, 610, КС l - 440, 590 и К i - 400 (нм). Интенсивность свечения всех образцов растет при увеличении скорости нагружения и разрушения, а также при увеличении номеров составляющих их атомов.

Спектральный состав свечения образцов кристаллов в основном зависит от их химического состава, а также от состава окружающего газа, ионизируемого эмитируемыми быстрыми электронами. Основная доля энергии светового излучения приходится на сплошной спектр.

Свечение, сопровождающее механическое разрушение макрокристаллов и их нагревание, имеет линейную зависимость от роста давления и температуры.

Собственная проводимость кристаллов в области высоких температур, как известно, обязана тепловой активизации. Часть ионов срыва­ется с места и перемещается в междоузлиях. Соседние атомы начинают чаще переходить в вакантные узлы, чем в междоузлие решетки. То есть вакансии и междоузлия подвижны, они могут рекомбинировать и рождаться снова. Это дефекты по Френкелю. Изменение их концентрации зависит от температуры и давления.

В создании ионной проводимости считается, что дефекты по Френкелю играют большую роль, чем дефекты по Шоттки. Например, в работе по исследованию проводимостей для КС1 с добавками СаС l₂ и КВ r установлено, что примеси увеличивают проводимость. Добавление 10 % КВг увеличивает проводимость КС1 при температуре 645°С при­мерно на 25-30 %. Увеличение проводимости можно объяснить различием размеров Вг и С l, которое приводит к упругим деформациям.

В данных экспериментах средние интервалы изменения величины проводимости НЩГК составляют (10 ^-9-10 ^-2) Ом ^-1 см ^-1. В проводящих породах существует электронная проводимость, особенно в рудах с содержанием железа до 60 %. В таких породах индуктируется электродвижущая сила переменными магнитными полями при искрении про­водов с большим током или при работе мощных электрических машин. Это приводит к появлению блуждающих токов. В породах, содержащих ионы металлов, возможен электроперенос этих ионов. Эффект увлечения ионов металла создаёт ионную проводимость в металлах и полупроводниках. Ионный перенос, существующий в металлах, может иметь определенную роль увеличения ионов электронами в полупроводниках и рудах.

В породах перемещение ионов может осуществляться по междоузлиям, вакансиям, дислокациям и границам зерен.

В породах появлению ионной проводимости способствует естественное гамма-излучение. Проникающие жесткие лучи способны вырывать атомы из кристаллических решеток минералов.

Величины удельного электрического сопротивления горных пород в натурных условиях от естественного состояния сланцевых массивов до нагруженных участков штока (железная руда), как показывают многолетние эксперименты, составляют интервал (5 Ч10 ⁴ё 5-10 ^-3) Ом Чм.

Предельные значения мощности оптического излучения горных пород в подземных рудниках также составляют интервал (5 Ч10 ^-15ё 5 Ч10 ^-8) Вт, включающий семь порядков.

Процессы изменения электрического сопротивления твёрдых тел при нагревании и механическом воздействии связаны с их внутренней структурой и с состоянием решеток, процессы излучения фотонной эмиссии соответствующих диапазонов связаны с процессами изменения квантовых (энергетических) состояний молекул, атомов и электронов, известные значения которых составляют семь порядков - (5 Ч10 ^-2ё 5 Ч10 ⁵) эВ.

Из приведённых примеров следует, что строение и состояние атомов минералов и горных пород можно описывать одним динамическим уравнением. Сравнение фотонной эмиссии и электрического сопротивления НЩГК и горных пород на основе полученных экспериментальных результатов показывает, что уменьшению эффективного электрического сопротивления во всех случаях при деформировании и разрушении образцов под действием геомеханического напряжения соответствует повышение параметров фотонной геоэмиссии. Характерные примеры сравнения, полученные при измерениях в натурных условиях, приведены на рис. 1.

Проведённые натурные эксперименты доказывают, что фоновое гамма-излучение в массиве способствует созданию постоянной электрической и ионной проводимости окружающих пород.

Кроме того, фоновое гамма-излучение частично ионизирует газ и вызывает сцинтилляции на поверхностях минералов, что создаёт незначительную долю фонового свечения в скважинах.

Для оценки проводимости массивов пород были также проведены натурные эксперименты по исследованию естественного электрического потенциала (ЕСЭП). Для этой цели было изготовлено два совершенно одинаковых по своим рабочим параметрам прибора типа МК-3 с медными неполяризующимися электродами, позволяющих фиксировать информацию величиной до 3 В. Натурные измерения ЕСЭП, при­ведённые на рис. 2 , показали, что почти в каждой точке замера величина ЕСЭП постоянно меняется. Это указывает на присутствие блуждающих токов и проводящие свойства массива. Повторные эксперименты с помощью второго прибора дали аналогичные результаты.

Рис. 1. Сравнительные измерения ЭЭС и ФЭ с поверхностей скважин:

а - в забое орта 2, гор. - 70 м, эпидотовый скарн и полевой шпат
с кальцитовыми прожилками и гнездами;

б - в забое орта 1, гор. - 70 м, скарн;

в - по туфам и альбитофирам в забое восточного заезда
в насосную камеру (т. 155 + 10 м), гор. - 350 м;

г - по микросиенитам (розоватобурые и светлозеленоватые)
в забое орта 16 (т. 335 + 30,5 м), гор. - 280 м.

Рис. 2. Изменения потенциалов ЕСЭП в массивах

проводящих пород вокруг горных выработок:

а - вдоль горизонтальной скважины, пробуренной в южном борту орта 15, гор. -210 м;

б - вдоль вертикальной скважины, пробуренной в почве орта 17 (северный), гор. -210 м.