Модели разрушения горных пород и основные гипотезы возникновения электромагнитного излучения при разрушении горных пород
Основной вклад в систематизацию и классификацию моделей разрушения горных пород внесли научные школы института физики Земли имени О.Ю. Шмидта РАН, физико-технического института имени А.Ф. Иоффе, института горного дела СО РАН, института горного дела имени А.А. Скочинского, МГГУ, ТПУ, КузГТУ, ВНИМИ, ДонУГИ и др.
В работах [ CITATION ЕИШ73 \l 1033 ], [ CITATION Кур \l 1033 ], [ CITATION Бат98 \l 1033 ], [ CITATION Чих05 \l 1033 ], [ CITATION Per93 \l 1033 ], [ CITATION Бер82 \l 1033 ], [ CITATION Ямщ78 \l 1033 ], [ CITATION Тур77 \l 1049 ], [ CITATION Рже10 \l 1033 ], [ CITATION Лео79 \l 1033 ], [ CITATION Пан85 \l 1033 ], [ CITATION Жур81 \l 1033 ], [ CITATION Бес04 \l 1033 ], [ CITATION Уцы05 \l 1033 ], [ CITATION Его04 \l 1033 ], [ CITATION Шти13 \l 1033 ], [ CITATION Яко04 \l 1033 ], [ CITATION Его78 \l 1033 ], [ CITATION Жур811 \l 1033 ], [ CITATION Гор89 \l 1033 ], показано, что процесс разрушения горных пород сопровождается механическими изменениями в структуре породы. Для определения НДС массива горных пород исследуются либо структурные изменения горной породы на микро- и макроуровнях, либо физические отклики на структурные изменения породы. Показано, что изменению НДС горной породы сопутствует электромагнитное [ CITATION Соб88 \l 1033 ], [ CITATION Мяч75 \l 1033 ], [ CITATION Вор75 \l 1049 ], [ CITATION Бес04 \l 1033 ], [ CITATION Bre86 \l 1033 ],[ CITATION Chi83 \l 1033 ], [ CITATION Kul94 \l 1033 ], [ CITATION Kur91 \l 1033 ], [ CITATION Kur01 \l 1033 ], [ CITATION Oga85 \l 1033 ], [ CITATION Vos05 \l 1033 ], [ CITATION Его884 \l 1033 ], [ CITATION Кул05 \l 1033 ], [ CITATION Мас88 \l 1033 ], [ CITATION Мир80 \l 1033 ],[ CITATION Пан831 \l 1033 ] акустическое [ CITATION ГАС93 \l 1049 ], [ CITATION Соб80 \l 1049 ],[ CITATION Shc12 \l 1033 ] а иногда и световое излучение [ CITATION Але05 \l 1049 ] природа этих излучений до конца не изучена.
В работах [ CITATION Тур77 \l 1049 ] построена модель классификации разрушений горных пород по масштабу разрушений. Согласно этой модели процесс разрушения проходит следующие уровни: субмикроскопический, когда разрываются различные типы атомных и молекулярных связей; микроскопический, когда разрушение ведет к развитию микротрещин; макроскопический, когда разрушение можно наблюдать невооруженным глазом и которое ведет к разделению пластов; мегаскопический, когда разрушаются, большие объемы горных пород.
Несколько моделей разрушения горных пород разработано в институте физики Земли имени О.Ю. Шмидта РАН [ CITATION Соб88 \l 1049 ]. Это модели лавинно-неустойчивого трещинообразования (ЛНТ), дилатантно-диффузная (ДД) модель, модель консолидации, неустойчивости скольжения и фазовых превращений [ CITATION ГАС93 \l 1049 ], [ CITATION Мяч75 \l 1049 ].
Согласно ЛНТ [ CITATION ГАС93 \l 1049 ] модели процесс разрушения проходит в три стадии: на первой стадии происходит накопление трещин в объем породы в результате тектонических напряжений; вторая стадия разрушения характеризуется резким возрастанием количества трещин; третья стадия характеризуется неустойчивыми деформациями локализованных в узкой области. Модель ЛНТ широко используется при объяснении процесса разрушения [ CITATION ГАС93 \l 1049 ], применяется для прогноза землетрясений. Достоинствами этой модели является то, что она основана на физических аспектах возникновения и роста трещин и инвариантна к различным по масштабам разрушаемым объектам – от породных образцов до массивов горных пород.
Согласно ДД модели [ CITATION ГАС93 \l 1049 ] процесс разрушения проходит на три стадии: первая стадия характеризуется постепенным увеличением тектонического напряжения в определенном объеме водонасыщенной горной породы; вторая стадия начинается, когда уровень напряжений достигает половины прочности водонасыщенной породы, при этом в породе возникают открытые трещины, так называемые дилатантные трещины; третья стадия характеризуется снижением прочности, которое приводит к обрушению в результате заполнения водой дилатантных трещин.
Модель консолидации блоков, разработанная Добровольским И.П. [ CITATION Доб84 \l 1049 ],[ CITATION Доб91 \l 1049 ], заключается в том, что цикл одиночного землетрясения имеет три фазы, следующие друг за другом. Фаза регулярного состояния сменяется фазой консолидации, в которой несколько блоков входят в зацепление, образуя консолидированную область. Далее, на фазе разрушения происходит распад консолидированной области за счет быстрых пластических подвижек, форшоков и магистрального разрыва.
Модель неустойчивого скольжения по разлому [ CITATION Sch73 \l 1033 ] заключается в «залипании» контактов взаимно перемещающих блоков при относительно гладком строении поверхности смесителя учитывает одну из основных особенностей поведения реальной горной среды, а именно постоянное деформирование среды по границам блоков и разломов.
Модель разрушения согласно научной школы Садовского М.А. [ CITATION Изб04 \l 1049 ] гласит, что процесс формирования очага разрушения проходит уровни, начиная от субмикроскопического к следующему до тех пор, пока система из «активных слоев» не будет достигать размеров взаимодействующих блоков.
Модель разрушения Панина В.Е. [ CITATION Панин \l 1049 ],[ CITATION Пан85 \l 1049 ] , основывается на структурных уровнях деформации и разрушения. Согласно этой модели в области очага разрушения формируется система структурных и масштабных уровней деформации. При этом разрушение рассматривается как многостадийный процесс, на каждой стадии разрушения накапливаются микротрещины и неоднородности.
В работе Журкова Н.С. [CITATION Жур68 \l 1049 ] предложена математическая модель описываемая выражением (1.1) разрушения твердых тел на основе кинетической концепции прочности. Согласно этой модели долговечность тела τ в зависимости от приложенного напряжения σ и температуры T можно описать следующим выражением:
(1.1)
где
– период тепловых колебаний молекул;
U0 – начальная
энергия активации разрушения; γ –
структурно-чувствительный коэффициент
пропорциональности; k
– коэффициент Больцмана; σ – внешняя
нагрузка.
В Томском политехническом институте группой сотрудников под руководством член-корреспондента АПН СССР А.А. Воробьева в 1971г. [ CITATION Вор75 \l 1049 ] в лабораторных условиях впервые зафиксировали электромагнитное излучение (ЭМИ) сопутствующее процессу деформации горной породы. Эти работы дали толчок к исследованиям физики процесса ЭМИ. В настоящее время существует около тринадцати гипотез возникновения ЭМИ. Согласно основным из них, импульсы ЭМИ могут возникать: вследствие эмиссии электронов с берегов растущей трещины [ CITATION Вол75 \l 1049 ], [ CITATION Кор74 \l 1049 ]; благодаря неравномерному – ускоренному движению зарядовой мозаики по берегам растущей трещины [ CITATION Пер81 \l 1049 ]; при нарушении связей двойных электрических слоев вблизи поверхности разрыва [ CITATION Пер83 \l 1049 ], при этом наиболее существенный вклад в ЭМИ вносит излучение зарядов, движущихся с вершиной прорастающей трещины [ CITATION Гер862 \l 1049 ]. Продолжение работ А.А. Воробьева по изучению электромагнитных сигналов сопутствующих разрушению горных пород продолжается в ИГД СО РАН под руководством ученых Курленя М.В. [ CITATION Кур00 \l 1049 ], [ CITATION Kur02 \l 1033 ], [ CITATION Kur91 \l 1049 ] Опарин В.Н. [ CITATION Опа13 \l 1049 ], Яковицкой Г.Е. [ CITATION Яко04 \l 1049 ], [ CITATION ГЕЯ85 \l 1049 ], [ CITATION Vos05 \l 1049 ], [ CITATION Вос14 \l 1049 ] Кулакова Г.И. [ CITATION Кул05 \l 1049 ], [ CITATION Кул05 \l 1049 ], [ CITATION Kur91 \l 1049 ], в ФТИ имени А.Ф. Иоффе РАН под руководством Куксенко В.С. [ CITATION Кук81 \l 1033 ], [ CITATION Мах05 \l 1049 ], [ CITATION Кук97 \l 1049 ], [ CITATION Shc12 \l 1049 ], в КузГТУ под руководством Егорова П.В. [Егоров П.В.], Иванова В.В. [Иванов В.В.], Алексеева Д.В. [Алексееву Д.В.], Пимонова А.Г. [ CITATION Его881 \l 1049 ], в Томском политехническом университете под руководством Беспалько А.А.[ CITATION Уцы05 \l 1049 ], Яворович Л.В. [ CITATION Бес04 \l 1049 ], [ CITATION Шти13 \l 1049 ], Колпаковой Л.А. [ CITATION Его881 \l 1049 ], [ CITATION Его04 \l 1049 ].
Теоретическое обоснование возникновения электромагнитного излучения при разрушении горных пород были рассмотрены в работах [ CITATION Пан831 \l 1049 ], [ CITATION Кор84 \l 1049 ], [ CITATION Мас881 \l 1049 ], [ CITATION Але93 \l 1049 ]. Одним из первых авторов, объясняющих возникновения сигналов ЭМИ при раскрытии одиночной трещины, был Панасюк В.В. [ CITATION Pan80 \l 1049 ], им установлено, что время развития трещины совпадает с длительностью повышенного электромагнитного излучения, им же сделан большой вклад в развитие теории механики разрушения [ CITATION Pan92 \l 1049 ].
Согласно Молоцкому М.И. [ CITATION Мол \l 1049 ], возникающее при зарождении и прорастании трещин ЭМИ генерируется источниками, которые могут быть образованы областями с повышенной и пониженной плотностью заряженных дислокаций, а также движением зарядовой мозаики по берегам растущей трещины. Колебательное перемещение электрических зарядов в этих областях, как показано в [ CITATION Мол \l 1049 ], приводит к возникновению электрического тока, сопровождающего прорастающую трещину, изменение геометрических размеров которой связывают с излучаемой в широком диапазоне частот электромагнитной энергией.
Согласно [ CITATION Его04 \l 1049 ],[ CITATION Кук81 \l 1033 ], [ CITATION Кук10 \l 1049 ], [ CITATION Кук81 \l 1049 ] возникновение единичной трещины сопровождается возникновением либо одиночного импульса, либо пакета импульсов ЭМИ. В работах [CITATION Жур68 \l 1049 ], [ CITATION Его881 \l 1049 ], [ CITATION Кук82 \l 1049 ], [ CITATION Мас88 \l 1049 ], отмечается, что, наблюдая за кинетикой трещинообразования, можно следить за процессом разрушения. Особый интерес представляет динамика изменения частотных характеристик электромагнитных сигналов, характеризующих стадии разрушения.
В работе [x] показано, что эволюция сигнала ЭМИ в процессе разрушения горной породы характеризуется повышением интенсивности импульсов ЭМИ, изменением спектральных характеристик от низкой частоты к высокой и опять к низкой, но с большей энергией излучения.
В [ CITATION Гох85 \l 1049 ] показано, что микротрещины генерируют электрический сигнал, когда они образуют крупномасштабный источник, для которого характерна преимущественная ориентация их дипольных моментов. Здесь же показано, что в рамках предложенной М.А. Садовским [ CITATION Сад79 \l 1049 ] и его научной школой концепции о ЛНТ при прогнозировании землетрясений выражение для энергии ЭМИ от очага разрушения определено временной зависимостью плотности трещин и представляет собой кривую с участком насыщения и резким спадом в момент сброса механического напряжения в очаге.
В [ CITATION Лос10 \l 1049 ] выявлена корреляция между моментами генерации ЭМИ и изменения его параметров с изменениями реактивного сопротивления материала горной породы и сейсмоакустической эмиссии в контролируемой зоне образца. Установлена связь ЭМИ с поляризуемостью, возникающей при разрушении горных пород.
Таким образом, существует множество подходов к изучению механизмов разрушения горных пород и множество подтвержденных экспериментально результатов. Но нет подхода, который объединял все изыскания в единую строгую систему, объясняющий механизм разрушения горной породы, причины возникновения ЭМИ и характеристики изменения сигнала сопутствующего изменению НДС горных пород. Поэтому задача изучения механизма изменения НДС горной породы и сопутствующего ЭМИ в настоящее время является актуальной.