СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА СТРУКТУРНОГО ОСЛАБЛЕНИЯ МАССИВА ПОРОД Российский патент 2002 года по МПК G01N3/00 

Изобретение относится к геофизике, в частности к способам оценки структурного ослабления горных пород.

Известны способы определения коэффициента структурного ослабления в лабораторных условиях с использованием образцов горных пород. Способ оценки структурного ослабления горных пород в натурных условиях, выполненный предлагаемыми средствами в данной заявке, автором не обнаружен.

Задача изобретения - повышение информации о механических свойствах горных пород и компонентах массива, заключающееся в установлении постоянных величин структурного ослабления различных литотипов вмещающих горных пород месторождений.

Сущность изобретения заключается в том, что сначала рассчитывают объемную плотность энергии горных пород на основе анализа их минерального и химического состава с учетом энергий возможных химических связей атомов и их количества в единице объема. Затем объемную плотность энергии горных пород определяют по энергиям фотонов с граничной частотой, регистрируемых при разрушении краевой части массива, с учетом равенства этих энергий энергиям соответствующих возбужденных уровней валентных электронов атомов и их количества в единице объема. Коэффициент структурного ослабления пород определяют по отношению значений данных объемных плотностей энергий, найденных различными методами. При этом обнаруживается, что количество реальных атомных связей в натурных условиях примерно на два порядка меньше, чем в случае их определения методом анализа состава и расчета.

Новизной является установление в натурных условиях уменьшения количества атомных связей в горных породах за счет присутствия в них дефектов, пор, микротрещин, что и служит причиной ослабления структуры, обнаруживаемой при разрушении пород. Кроме того, коэффициент включает одновременно изменения значений, связанные с глубиной залегания пород и влиянием ведения горных работ.

Экономический эффект заключается в том, что коэффициент структурного ослабления горных пород позволяет уточнять механическую прочность пород и критерии удароопасности массива.

Способ осуществляется следующим образом. Определяют объемную плотность энергии стационарного состояния массивов горных пород Е_v. Определяют объемную плотность энергии горных пород при их разрушении Е_v'. По отношению объемной плотности энергии стационарного состояния массива пород Е_v к объемной плотности энергии разрушения массива пород Е_v' определяют коэффициент структурного ослабления пород к_с.о.

Пример конкретного выполнения. Определяют процентное содержание минерального состава основных литотипов вмещающих горных пород, табл. 1 (например, Таштагольского месторождения). Затем определяют химический состав, валентность химических элементов, их относительную атомную массу и заряд (атомный номер), табл. 2.

Определяют процентное содержание железа в его закиси

где - процентное содержание закиси железа; - относительная атомная масса железа в его закиси; - относительная атомная масса кислорода в закиси железа.

Процентное содержание железа в его окиси равно:

Энергия химических связей железа в его закиси Fe₂O₃ и в его окиси FeO соответственно равна:

E_Fe = μ_Fe ZδK = 163,55079 (Дж/м²),
где δ - валентность;
К=21,665685 Дж/м²;
μ - содержание элемента в частях.

Аналогично определяют удельные энергии Е_s химических связей, приходящиеся на долю других элементов. Полная удельная энергия магнетитовой руды равна сумме удельных энергий химических связей составляющих ее элементов:
E_s=E_Fe+E₀+E_Si+...+E_Pb+E_nnn
В такой же последовательности определяют удельные энергии связи остальных литотипов горных пород.

Величины объемных плотностей энергий Е_v равны

где - удельная энергия связи горной породы;
N_l = 5•10⁹ - количество атомов, приходящихся на один (погонный) метр породы.

В табл. 3 (колонка 2) приведены объемные плотности энергий химических связей горных пород для массивов, находящихся в стационарном состоянии.

Энергии регистрируемых фотонов с граничной частотой равны энергиям соответствующих основных уровней атомов
E_ф = ℏ︀ν_г = E_оср.ур.
где E_ф - энергия фотона, Дж;
h=6,62607•10^-34 Дж•с (справочная данная) - постоянная Планка;
ν_г - граничная частота фотона, Гц;
E_осн.ур - энергия основного уровня, Дж,
используя которые определяют объемные плотности энергий разрушения пород:
E_ν = ℏ︀ν_гN_осн.ур = ℏ︀ν_гN_ν,
где N_осн.ур. = N_v - все атомы возбуждены (состояние исследуемого массива горных пород, когда число мигрирующих квантов энергии в нем примерно становится равным числу атомов в единице объема).

Объемная плотность энергии разрушения горных пород представлена в табл.3 (колонка 3), которая определялась по энергии фотонов с граничной частотой регистрируемых в забоях горных выработок после взрывов взрывчатых веществ (ВВ) (Физический энциклопедический словарь. - М.: Советская энциклопедия, 1983, с.73).

Коэффициенты структурного ослабления горных пород определяются из формулы (табл.1, колонка 4)

где к_с.о - коэффициент структурного ослабления горной породы;
- сумма удельной энергии связи химических элементов, Дж/м²;
N_l - число атомов, приходящихся на единицу длины, м;
N_v - число атомов в единице объема массива пород, м^-3.

Из результатов экспериментов следует, что объемная плотность энергии реальных пород меньше объемной плотности их, определенной с учетом всех химических связей, примерно от 30 до 220 раз.

Экономическая эффективность заключается в том, что коэффициент структурного ослабления горных пород позволяет уточнять механическую прочность пород и критерии удароопасности массива.

Изобретение предназначено для использования в геофизике для оценки структурного ослабления горных пород. Проводят анализ химического и минерального состава пород, на основе которого рассчитывают объемную плотность энергии с учетом возможных химических связей. Объемная плотность энергии, определенная по излучению фотонов с граничной частотой при разрушении краевой части массива, по величине значительно меньше, поскольку реальных связей между атомами в породах меньше. Предложенный коэффициент представляет отношение названных потенциальных энергий. В натурных условиях для одной и той же массы пород или количества атомов число их связей и сила взаимодействия неодинаковы. В шахтных условиях, кроме того, коэффициент включает одновременно изменения значений, связанные с глубиной и влиянием ведения горных работ. Коэффициент структурного ослабления горных пород позволяет уточнять механическую прочность пород и критерии удароопасности массива, что увеличивает объем информации о механических свойствах горных пород и компонентах массива. 3 табл.

Способ определения коэффициента структурного ослабления горных пород, характеризующийся тем, что определяют объемную плотность энергии станционарного состояния массива вмещающих горных пород месторождения, для чего проводят анализ состава минералов по их окислам основных литотипов пород, определяют состав химических элементов, их валентность, относительную атомную массу и заряд, далее, используя относительные атомные массы, определяют процентное содержание химических элементов в минералах и с учетом валентностей и атомных номеров элементов определяют их удельные энергии химических связей

где - удельная энергия химических связей i-го элемента;
Z - атомный номер;
δ - валентность;
К = 21,665685 Дж•м^-2;
μ_i - содержание элемента в частях,
по сумме удельных энергий химических элементов находят объемную плотность энергии i-го литотипа породы

где - объемная плотность энергии i-й породы;
N_l= 5•10⁹ - число атомов, приходящихся на 1 (пог. ) м породы,
затем, регистрируя фотоны с граничной частотой в забоях горных выработок после взрыва ВВ, определяют объемную плотность разрушения пород

где h = 6,62607•10^-34, Дж•с - (справочная данная) - постоянная Планка;
ν_г - граничная частота фотона, Гц;
N_v - число атомов в единице объема массива пород, м^-3,
а коэффициент структурного ослабления горных пород определяют из отношения

где к_с.о. - коэффициент структурного ослабления горной породы;
- объемная плотность энергии стационарного состояния i-й горной породы;
- объемная плотность энергии разрушения данного i-го литотипа горной породы.