Помощь в написании студенческих работ
Антистрессовый сервис

Эмиссия тонкодисперсных минеральных частиц при нагружении горных пород

Диссертация: Эмиссия тонкодисперсных минеральных частиц при нагружении горных пород
ДиссертацияПомощь в написанииУзнать стоимостьмоей работы

В последние годы изучение наноразмерных частиц, создание наноматериалов и нанотехнологий является приоритетным направлением научных исследований во всем мире. Добыча полезных ископаемых также связана с образованием микрои наноразмерных минеральных частиц на различных этапах добычи и переработки. Появление тонкодисперсных частиц при разрушении горных пород негативно влияет на экологию, однако… Читать ещё >

Эмиссия тонкодисперсных минеральных частиц при нагружении горных пород (реферат, курсовая, диплом, контрольная)

Содержание

  • ГЛАВА 1. АНАЛИЗ СОВРЕМЕННОГО СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА
    • 1. Л. Существующие методы изучения напряженнодеформированного состояния массивов горных пород
      • 1. 2. Эмиссионные методы оценки напряженно-деформированного состояния горных пород
      • 1. 3. Методы и средства для определения параметров тонкодисперсных частиц
      • 1. 4. Современные методы определения механических свойств горных пород в наномасштабе
      • 1. 5. Цель работы и задачи исследования
  • ГЛАВА 2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ОБРАЗОВАНИЯ ЧАСТИЦ С ПОВЕРХНОСТИ ПОЛОСТИ ПРИ НАГРУЖЕНИИ ГЕОМАТЕРИАЛОВ
    • 2. 1. Классификация генетических типов горных пород
    • 2. 2. Неоднородность горных пород и их петрографические особенности
    • 2. 3. Источники тонко дисперсных частиц
    • 2. 4. Теоретические основы образования частиц с поверхности цилиндрической полости
    • 2. 5. Моделирование процессов деформирования и разрушения цилиндрической полости
  • ГЛАВА 3. РАЗРАБОТКА И СОЗДАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО СТЕНДА
    • 3. 1. Обоснование проведения экспериментов
    • 3. 2. Методика проведения экспериментов и первые результаты
    • 3. 3. Создание экспериментального стенда
    • 3. 4. Подготовка образцов и необходимое оборудование
  • ГЛАВА 4. ПРОВЕДЕНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТОВ И АНАЛИЗ ПОЛУЧЕННЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ
    • 4. 1. Проведение экспериментальных исследований
    • 4. 2. Полученные результаты и их анализ
    • 4. 3. Планирование дальнейших экспериментов
    • 4. 4. Обработка и анализ экспериментальных данных

Актуальность проблемы. Добыча твердых полезных ископаемых подземным способом в последнее время осуществляется на больших глубинах и в сложных горно-геологических условиях. С увеличением глубины разработки возникают трудности при транспортировке отбитой породы, проветривании горных выработок, эксплуатации горного оборудования и др. [54]. Под действием статических и динамических нагрузок горные породы вокруг выработок и скважин переходят в предельное состояние и разрушаются в условиях неоднородных объемных напряженных состояний.

В этой связи особую актуальность приобретает вопрос безопасности ведения горных работ. Для изучения напряженно-деформированного состояния массивов горных пород разработано большое количество методов и средств [25−30,49,50,62,63,84,85]. Однако в силу высокой трудоемкости, слабой оперативности и других причин их применение ограничено. Совершенствование существующих и создание новых методов диагностики и контроля напряженно-деформированного состояния массивов горных пород, является приоритетным направлением для горнодобывающей промышленности.

В последние годы изучение наноразмерных частиц, создание наноматериалов и нанотехнологий является приоритетным направлением научных исследований во всем мире. Добыча полезных ископаемых также связана с образованием микрои наноразмерных минеральных частиц на различных этапах добычи и переработки [44,73,80]. Появление тонкодисперсных частиц при разрушении горных пород негативно влияет на экологию [13,71,73], однако в определенных условиях оно может быть использовано для контроля механического состояния массивов горных пород [16,18,19,23]. Поэтому фундаментальные исследования по раскрытию механизмов образования тонкодисперсных частиц и структурных изменений в горных породах являются актуальными.

Диссертационная работа выполнялась в соответствии с тематическими планами НИР Учреждения Российской академии наук Института проблем комплексного освоения недр РАН по теме: «Наноразмерные частицы в природе и техногенных продуктах: условия нахождения, физические и химические свойства и механизм образования» и при поддержке РФФИ (проект 11−05−528-а).

Цель работы. Установление закономерностей эмиссии тонкодисперсных минеральных частиц при нагружении горных пород.

Научная идея работы. Использование эмиссии тонкодисперсных фракций с поверхности горных пород для оценки их напряженного состояния.

Методы исследований. Для решения поставленных задач использовались комплексные исследования, включающие анализ существующих методов оценки и контроля напряженно-деформированного состояния массивов горных пород, обзор лабораторных эмиссионных методов при одноосном сжатии образцов геоматериалов, теоретические и экспериментальные исследования процессов деформирования и разрушения горных пород, проведение экспериментальных исследований в лабораторных условиях с использованием метода лазерной спектрометрии, компьютерное моделирование.

Научные положения, выносимые на защиту.

1) Деформирование образцов горных пород при их одноосном сжатии сопровождается образованием тонкодисперсных минеральных частиц с их поверхности с интенсивностью, зависящей от величины нагружения.

2) Интенсивность и дисперсный состав образующихся частиц определяется минеральным составом исследуемых горных пород.

3) Интенсивность эмиссии тонко дисперсных частиц экспоненциально возрастает по мере приближения нагрузок к пределу прочности образца.

Научная новизна исследований:

— экспериментально установлено явление эмиссии минеральных частиц в диапазоне 0.3−5.0 мкм с поверхности цилиндрической полости при одноосном сжатии геоматериалов;

— установлено, что при возрастании напряжений до уровня, предшествующего разрушению исследуемых образцов наблюдается резкий рост эмиссии частиц;

— получены количественные оценки эмиссии частиц в зависимости от действующих напряжений сжатия и относительного уровня нагружения для различных типов геоматериалов;

— интенсивность и дисперсный состав эмиссии частиц определяется минеральным составом исследуемых геоматериалов;

— найдена функциональная зависимость между эмиссией частиц и относительным уровнем нагружения.

Личный вклад автора: определена цель и задачи исследованийобосновано приобретение оборудования для проведения экспериментальных исследованийразработан и создан экспериментальный стендопробована и усовершенствована методика проведения экспериментовотобраны и подготовлены образцы геоматериаловпроведены экспериментальные исследованияполучены и обработаны экспериментальные результатысделаны выводы.

Достоверность и обоснованность научных положений, выводов и рекомендаций, представленных в работе, подтверждены комплексной методикой работ, предусматривающей использование современных теоретических и экспериментальных методов исследований, применением современных высокотехнологических приборов и средств измерения.

Практическая ценность работы заключается в проведении экспериментальных исследований и установлении закономерностей эмиссии тонкодисперсных минеральных частиц при одноосном сжатии образцов геоматериалов. Результаты этих исследований могут стать основой разработки принципиально нового инструментального метода для прогноза катастрофических явлений, связанных с неконтролируемым разрушением массивов горных пород.

Апробация работы. Основные научные положения и результаты исследований докладывались на научных симпозиумах «Неделя горняка» (г. Москва, 2010, 2011 гг.), V Международной конференции с элементами научной школы для молодежи «Микромеханизмы пластичности, разрушения и сопутствующих явлений» (г. Тамбов, 2010 г.), XX Международной научной школе им. академика С. А. Христиановича (г. Алушта, 2010 г.), III Международном форуме по нанотехнологиям (г. Москва, 2010 г.), V «Фестивале Науки» (г. Москва, 2010 г.), на VII и VIII Международной научной школе молодых ученых и специалистов «Проблемы освоения недр в XXI веке глазами молодых» (г. Москва, 2010, 2011 гг.), VII и VIII Международной выставке «Недра. Изучение. Разведка. Добыча» (г. Москва, 2010, 2011 гг.), Первом междисциплинарном, международном симпозиуме «Свойства веществ при высоких давлениях и температурах. Физика, геология, механика, химия» (п. JIoo, г. Сочи, 2011 г.), 7th International Conference on Physical Problems of Rock Destruction (Китай, 2011 г.), XI научно-практической конференции «Проблемы прогнозирования чрезвычайных ситуаций» (г. Москва, 2011 г.), Всероссийской конференции «Геодинамика и напряженное состояние недр земли» (г. Новосибирск, 2011 г.), IV Международной конференции «Деформация и разрушение материалов и наноматериалов» (г. Москва, 2011 г.).

Публикации. Основные положения и результаты исследований опубликованы в 12 научных работах, в том числе 4 в рецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК РФ. Новизна полученных результатов подтверждена 2 патентами.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и приложения, изложенных на 130 страницах машинописного текста, содержащих 46 рисунков, 6 таблиц, списка используемой литературы из 87 наименований.

Основные выводы, научные и практические результаты работы заключаются в следующем:

1. Экспериментально установлено явление эмиссии тонко дисперсных минеральных частиц в диапазоне 0.3−5.0 мкм с поверхности цилиндрической полости при одноосном сжатии различных типов горных пород.

2. Интенсивность и дисперсный состав эмиссии частиц, образующихся с поверхности цилиндрической полости, определяется минеральным составом исследуемых горных пород.

3. При приближении к нагрузке, близкой к пределу прочности образца, наблюдается экспоненциальный рост эмиссии частиц, который является индикатором приближающегося его макроразрушения.

4. Проведена серия исследований эмиссии тонкодисперсных минеральных частиц для образцов известняка, мрамора и песчаника и экспериментально определен относительный уровень нагружения резкого роста эмиссии частиц. По результатам обработки экспериментальных данных найдена функциональная зависимость между эмиссией частиц и относительным уровнем нагружения.

5. Установлено, что зарегистрированные частицы образовались с поверхности цилиндрической полости в результате одноосного сжатия геоматериалов, что подтверждается герметичностью ее объема, который изолирован от частиц из окружающей среды посредством установки воздушного фильтра, не пропускающего частицы размером более 100 нм.

6. Для выполнения лабораторных исследований по изучению эмиссии тонкодисперсных минеральных частиц с поверхности цилиндрической полости в одноосно нагружаемых образцах горных пород разработан и создан экспериментальный стенд.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Диссертация является законченной научно-исследовательской работой, в которой дано решение научной задачи по установлению закономерностей эмиссии тонкодисперсных минеральных частиц при нагружении горных пород для оценки их напряженного состояния.

Показать весь текст

Список литературы

  1. В.В., Попель С. И., Шишаева С. И. Анализ мелкодисперсной фракции при разрушении горных пород взрывом и образование скальных оползней / Записки Горного института, т. 171, 2007. -С. 32−38.
  2. И.В. Деформирование и разрушение породных массивов. М.: Недра, 1988. — 271 с.
  3. И.В., Картозия Б. А. Механика подземных сооружений и конструкции крепей. Учеб. для вузов. -2-е изд., перераб. и доп. М.: Недра, 1992.-543 с.
  4. A.B., Троян В. Н., Бакулин В. Н. Акустоупругость горных пород. СПб.: Изд-во С.-Петерб. ун-та, 2000. — 316 с.
  5. Л.И., Керекилица Л. Г. Сопротивляемость горных пород отрыву. Киев: Изд-во «Наукова думка», 1974. — 192 с.
  6. В.А. Универсальный метод прогноза безопасности угольных пластов в отношении генетически взаимосвязанных газодинамических явлений // Горн, инф.-аналит. Бюл., 2000, № 7. С. 191 194.
  7. В.А. Сорбционные процессы в природном угле и его структуре / АН СССР. Ин-т пробл. Комплексного освоения недр. Мг, 1987. -135 с.
  8. O.A. Неорганические наночастицы в природе // Вестник РАН, 2003, № 5. С. 426−428.
  9. С.Д., Иофис М. А., Гончаров С. А. Сдвижение и разрушение горных пород. М.: Наука, 2005. — 227 с.
  10. С.Д., Казаков H.H., Закалинский В. М. Анализ методов управления процессом разрушения горных пород взрывом // Горный журнал, 1995, № 7.-С. 46−47.
  11. С.Д., Кочанов А. Н., Осокин A.A. Эмиссия микрочастиц при деформировании и разрушении образцов горных пород в условиях одноосного сжатия / Вестник Тамбовского Университета, том 15, вып.З. 2010.-С. 1163−1164.
  12. С.Д., Одинцев В. Н., Кочанов А. Н., Осокин A.A. Генерация микро- и наночастиц при деформировании и разрушении горныхпород. Взрывное дело. Выпуск № 104/61. М.:ЗАО «МВК по взрывному делу при АГН», 2010. — С. 63−73.
  13. С.Д., Кочанов А. Н., Одинцев В. Н., Осокин A.A. Эмиссия субмикронных частиц при деформировании горных пород // Труды симпозиума. Ростов н/Д: Изд-во СКНЦ ВШ ЮФУ АПСН, 2010. — С. 137 140.
  14. С. Д. Акустические наблюдения процессов разрушения горных пород. М.: Изд-во «Наука», 1964. — 84 с.
  15. A.C. Системы контроля геомеханических процессов: Учеб. пособ. 2-е изд., стер. — М.: Изд-во МГГУ, 2002. — 152 с.
  16. A.C., Набатов B.B. Оценка трещинообразования в массиве с типсосодержащими породами методом регистрации электромагнитного излучения // ФТПРПИ, № 3, 2003. С. 3−12.
  17. В.Т., Виноградов В. В. Разрушение горных пород и прогнозирование проявлений горного давления. М.: Недра, 1982. — 192 с.
  18. В.Т., Гавеля С. П. Оценка напряженно-деформированного состояния массивов горных пород. М.: Недра, 1986. -221 с.
  19. В.Т., Ямщиков B.C., Яланский A.A. Геофизический контроль в угольных шахтах. Киев: «Наукова думка», 1978. — 224 с.
  20. В.Т., Ямщиков B.C., Яланский A.A. Геофизический контроль в шахтах и тоннелях. М.: Недра, 1987. — 278 с.
  21. Ю.И. Введение в нанотехнику. М.: Машиностроение, 2007. — 496 с.
  22. Ю.И. Наноиндентирование и его возможности. М.: Машиностроение, 2009. — 312 с.
  23. А.И., Корявов В. П., Кузнецов В. И. и др. Акустическая эмиссия и электромагнитное излучение при одноосном сжатии // Докл. АН СССР, т. 255, № 4,1980. С. 821−824.
  24. А.И., Куликов В. И. Определение работоспособности ВВ по сейсмическому эффекту взрыва. Взрывное дело. Выпуск № 106/63. -М.: ЗАО «МВК по взрывному делу при АГН», 2011. С. 140−153.
  25. X., Лейн В. Аэрозоли пыли, дымы и туманы. Изд. 2-е, стер. Изд-во «Химия», 1972. — 428 с.
  26. Г. П. Современные теоретические представления о действии взрыва в среде. В. Кн.: Буровзрывные работы в горной промышленности. -М.: Госгортехиздат, 1962. — С. 223−240.
  27. Э.И., Никифорова В. А., Пономарев A.B. О взаимосвязи выхода мелких фракций при разрушении горных пород с параметрамиимпульсов различных ВВ // Металлургическая и горнорудная промышленность, 2001. -№ 1. С. 88−90.
  28. Н.Ф., Ткачев В. В. Проблемы и перспективы международной унификации метода измерения промышленных аэрозолей // Медицина труда и промышленная экология, № 8. М., 1994. — С. 1−4.
  29. М.А., Шмелев А. И. Инженерная геомеханика при подземных разработках. М.: Недра, 1985. — 248с.
  30. Д.Р., Помельников И. И., Левин В. И. и др. Комплексное освоение рудных месторождений: проектирование и технология подземной разработки. М.: ИПКОН РАН, 1998. — 383с.
  31. Э.В., Козырев A.A., Иофис М. А., Макаров А. Б. Геомеханика: Учеб. пособие. М.: Высш. Шк., 2006. — 503 с.
  32. Ю.М., Матвеев Б. В., Михеев Г. В., Фадеев А. Б. Прочность и деформируемость горных пород. М., Недра, 1979. — 269 с.
  33. Ю.М., Грохольский A.A. Методические указания по определению прочности горных пород на сжатие. Л., 1973. — 75 с.
  34. А.Н. Анализ условий возникновения сверхмалых частиц при взрывном разрушении горных пород // Физические проблемы разрушения горных пород. — М., 2005. С 220−222.
  35. В.В., Воронина Ю. В. Направление в разработке приборов пылевого контроля. В кн.: Проблемы современной рудничной аэрологии. — М.: Наука, 1974. — С. 208−214.
  36. C.B., Одинцев В. Н. Слоним М.Э., Трофимов В. А. Методология расчета горного давления. М.: Наука, 1981. — 104 с.
  37. М.В., Вострецов А. Г., Кулаков Г. И., Яковицкая Г. Е. Регистрация и обработка сигналов электромагнитного излучения горных пород. Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2000. — 232 с.
  38. М.В., Серяков В. М., Еременко A.A. Техногенные геомеханические поля напряжений. Новосибирск: Наука, 2005. — 264с.
  39. М.В., Опарин В. Н. Скважинные геофизические методы диагностики и контроля напряженно-деформированного состояния массивов горных пород Новосибирск: Наука. Сибирская издательская фирма РАН, 1999.-335 с.
  40. М.В. Теория и практика измерений напряжений в осадочных горных породах (обзор) // Измерение напряжений в массиве горных пород. Новосибирск: ИГД СО АН СССР, 1972.
  41. A.B., Шкуратник В. Л., Филимонов Ю. Л. Акустоэмиссионный эффект памяти в горных породах. М.: МГГУ, 2004. -456 с.
  42. И.А., Уракаев Ф. Х. О возможности образования наноразмерных частиц в носке трещины. Сб.: Физикохимия ультрадисперсных (нано) систем. М.: МИФИ, 2002. С. 46−47.
  43. Н.В., Ржевский В. В., Протодьяконов М. М. Справочник (кадастр) физических свойств горных пород. -М.: Недра, 1975. -279 с.
  44. В.Н. Отрывное разрушение скальных горных пород. М.: ИПКОН РАН, 1996. 166 с.
  45. Патент РФ по заявке № 2 010 119 584/28. Способ оценки напряженно-деформированного состояния массива горных пород и строительных сооружений, и устройство для его осуществления. С. Д. Викторов, А. Н. Кочанов, A.A. Осокин.
  46. М.Е., Иофис М. А., Попов В. Н. Геомеханика. М.: МГГУ, 2005.-438 с.
  47. М.М., Мохначев М. П. К методике определения прочности горных пород. М.: ИГД им. A.A. Скочинского, 1966.
  48. Рац М. В. Неоднородность горных пород и их физических свойств. М.: Наука, 1968. — 108 с.
  49. В.В., Ямщиков B.C. Акустические методы исследования и контроля горных пород в массиве. Изд-во «Наука», 1973. -224 с.
  50. В.В. Техника контроля напряжений и деформаций в горных породах. JL, «Наука», 1978. — 232 с.
  51. В.В., Новик Г. Я. Основы физики горных пород. Изд. 2-е, перераб. М.: Недра, 1973. — 286 с.
  52. В.Н. Очерк геомеханики. М.: Научный Мир, 1996.64 с.
  53. В.Н., Сизов И. А., Цветков В. М. Основы геомеханики. -М.: Недра, 1986.-301 с.
  54. А. Н., Протосеня А. Г. Прочность горных пород и устойчивость выработок на больших глубинах. М.: Ндера, 1985. — 271 с.
  55. А.Н., Протосеня А. Г. Механика деформирования и разрушения горных пород. М.: Недра, 1992. — 224 с.
  56. С.П., Гудьер Дж. Теория упругости, перев. с англ.: Наука, 1975.-576 с.
  57. К.Н., Малышев Ю. Н., Пучков J1.A., Чаплыгин H.H., Каплунов Д. Р. и др. Горные науки. Освоение и сохранение недр Земли / РАН, АГН, РАЕН, МИА. М.: изд. Академия горных наук, 1997. — 478с.
  58. К.Н., Галченко Ю. П., Бурцев Л. И. Экологические проблемы освоения недр при устойчивом развитии природы и общества. М: ООО Изд-во «Научтехлитиздат», 2003. — 262 с.
  59. К.Н., Галченко Ю. П., Замесов Н. Ф., Куликов В. И., Родионов В. Н. Структура техногенно измененных недр // Вестник РАН, 2002, № П.-С. 969−975.
  60. К.Н., Викторов С. Д., Галченко Ю. П., Одинцев В. Н. Техногенные минеральные частицы как проблема освоения недр // Вестник РАН, 2006, т. 76., № 4. С. 318−324.
  61. К.Н., Чантурия В. А., Каплунов Д. Р., Рыльникова М. В. Комплексное освоение месторождений и глубокая переработка минерального сырья / Ин-т проблем комплексного освоения недр РАН. М.: Наука, 2010.-437 с.
  62. В.Л., Протосеня А. Г., Матвеев П. Ф., Совмен Х. М. Геомеханика массивов и динамика выработок глубоких рудников. СПб: Санкт-Петербургский горный ин-т., 2000. — 396 с.
  63. И.М., Литвин В. А., Кучерский Л. В. и др. Горные удары и борьба с ними на шахтах Кизиловского бассейна. Пермь: Пермиздат, 1969.
  64. И.А., Иофис М. А. Каспарьян Э.В. Основы механики горных пород. Л.: Недра, 1989. — 488 с.
  65. Ф.Х., Массалимов И. А. Флуктуация энергии и эмиссионные явления в устье трещины // ФТТ, 2005, т. 47, вып. 9. С. 16 141 618.
  66. Худ сон Д. Статистика для физиков. Лекции по теории вероятностей и элементарной статистике. Второе дополненное издание, перевод с англ., М.: «Мир», 1970. 295 с.
  67. В.А., Трубецкой К. Н., Викторов С. Д., Бунин И. Ж. Наночастицы в процессах разрушения и вскрытия геоматериалов. М.: ИПКОН РАН, 2006. — 216 с.
  68. В.А. Прогрессивные технологии обогащения руд комплексных месторождений благородных металлов // Геология рудных месторождений, 2003, т. 45, № 4. С. 321−328.
  69. Г. Е. Методы и технические средства диагностики критических состояний горных пород на основе электромагнитной эмиссии. Новосибирск: Параллель, 2008. — 315 с.
  70. B.C. Контроль процессов горного производства: Учебник для вузов. М.: Недра, 1989. — 446 с.
  71. B.C. Методы и средства исследования и контроля горных пород и процессов. Учебник для вузов. М.: Недра, 1982. 296 с.
  72. Lee М., Haimson В. Laboratory Study of Borehole Breakouts in Lac du Bonnet Granite: a Case of Extensile Failure Mechanism. Int. J. Rock Mech. Mm. So. & Geomech, vol.30, № 7. Great Britain, 1993. — P. 1039−1045.
  73. Victorov S.D., Odintcev V.N., Kochanov A.N., Osokin A.A. Phenomenon of the Emission of Microparticles under Quasi-Static Loading of Rocks // 7th International Conference on Physical Problems of Rock Destruction. -China, 2011.-P. 3−5.
Заполнить форму текущей работой

Сессия? Спокойно!