Исследование механизма разрушения и структурные изменения в горных породах при их термическом нагружении

Abstract

Дослідження механізму крихкого термічного руйнування і структурні зміни в гірських породах при їх тепловому (плазмовому) навантаженні.На основі теорії термопружності і енергетичних показників описуваного процесу розглянуто механізм крихкого термічного руйнування гірських порід. При його оцінці враховувалась градієнтна, структурна та термічна пружність мінералів в породі. У лабораторних умовах на відібраних зразках порід (шелушці) продуктів руйнування кварцитів і сланців Кривбасу в процесі розширення свердловин повітряною плазмою проведені дослідження їх структурних змін з використанням методів рентгеноструктурного, термогравіметричного і диференціально-термічного аналізів. Для їх реалізації використовувались дослідницькі комплекси дериватограф і ДРОН- 3. За результатами теоретичних досліджень проведена оцінка механізму крихкого термічного руйнування з використанням критерію міцності Баландина для будь-якої породи. Розраховані чисельні значення лінійної швидкості крихкого руйнування для кварцитів. Експериментально за результатами рентгеноструктурного, термогравіметричного і хімічного аналізів проаналізовані ендотермічні і окислювальні процеси розкладання мінералів в гірській породі. При теоретичній оцінці механізму термічного руйнування гірської породи отримані основні вирази, що описують структурні і градієнтні напруження в породі при її відділенні(лущенні). З урахуванням градієнтних і структурних напружень породи оцінено час та момент руйнування поверхневого шару і його товщину. Отримані чисельні значення лінійної швидкості крихкого руйнування для кварцитів. При нагріванні кварцитів в діапазоні температур 513-773 К встановлено руйнування його кристалічної решітки. Ці руйнування відбуваються за рахунок послаблення та розриву найбільш слабких хімічних зв'язків між частками мінералів, що входять в структуру породи. У рентгенівському спектрі кварциту в структурі його кристалічної решітки відбуваються поліморфні перетворення. Це призводить до зменшення довжини зв'язків між мінералами, а отже і збільшення енергії розриву кристалічної решітки після опромінення її повітряною плазмою. Виконані дослідження дозволять розробити нові технологічні прийоми підготовки вибухових свердловин для реалізації ресурсо- і енергозберігаючих способів руйнування та технології видобутку міцних складноструктурних рудних і нерудних корисних копалин України.

To study mechanism of fragile thermal breaking of and structural changes in the rocks under thermal (plasma) loading. On the basis of thermoelasticity theory and energy values of the described process, mechanism of fragile thermal rock breaking is estimated with taking into account gradient, structural and thermal elasticity of minerals in the rocks. Different rock samples and their structural changes were studied in laboratory by x-ray diffraction, thermogravimetric and differentially-thermal analyses and with the help of such research devices as Dеrivatograph and DRON- 3.Basing on the theoretical findings, the mechanism of fragile thermal breaking was estimated by the Balandin strength criterion for different types of rocks. Numeric values of linear speed of the fragile breaking were calculated for the quartzites. Endothermic and oxidizing processes of mineral decomposition in the rocks were analyzed experimentally basing on results of x-rays, thermogravimetric and chemical analyses. The theoretical estimation of the thermal rock breaking mechanism helps to obtain basic formulas which describe structural and gradient stresses occurred when the rocks are separated (decorticated). Duration and moment of the surface layer breaking and its thickness are specified with taking into account the gradient and structural stresses. Numeric values of linear speed of the fragile breaking were specified for the quartzites. It was determined that when quartzites are heated up to the temperature range between 513 K and 773 K, its crystalline lattice was broken. Such breaking happens due to weakening and destructing of the most loosely-coupled chemical bonds between the mineral particles contained in the rock structure. The x-rayed spectrum of quartzite shows that various polymorphic transformations occur in the structure of the quartzite crystalline lattice. It results in reduced length of bonds between minerals and, consequently, increased breakage energy of the crystalline lattice after the lattice is irradiated by air plasma. The findings will allow to design new technological practices of preparing the blastholes for applying energy-saving methods of the rock breaking and technology of mining hard ores and non-metallic minerals with complicate structures peculiar for the Ukrainian deposits.