|
Постоянно действующий семинар
"Физико-технические проблемы разработки месторождений полезных ископаемых" ВЫСТУПЛЕНИЕ (обсуждение доклада 21.06.1999г.) |
Институт проблем комплексного освоения недр Российской академии наук (ИПКОН РАН)
|
Материалы обсуждения публикуются в порядке поступления электронных версий от авторов и могут не соответствовать порядку выступлений на семинаре, текст выступлений может отличаться от оригинального в связи с включением в него ответов на вопросы, послесеминарских бесед в рабочем порядке и др. |
Викторов С.Д. Современные проблемы разрушения массивов горных пород.
Белинский И.В. (Отделение геодинамики взрыва Института геофизики им.С.И.Субботина НАН Украины)
Нами впервые экспериментально изучена эволюция волнового возмущения, которое распространяется при ударе по одномерной гранулированной среде регулярной структуры с учетом иерархического строения ее элементов. При этом установлено, что во время удара по одномерной гранулированной среде массой равной или меньше массы элемента в ней уже на третьем элементе формируется уединенное стационарное возмущение солитоноподобного типа. Если же масса удара превышает массу элемента в цепочке, то в ней возникает несколько солитонов, количество которых зависит от соотношения массы удара к массе элемента в среде. Все солитоны формируются четырьмя элементами гранулированной среды вне зависимости от амплитудно-временных параметров импульсного нагружения.
Представления о горном массиве как сплошном деформируемом теле позволили достичь успехов при определении сейсмобезопасных расстояний при ведении взрывных работ на карьерах, а также при решении задач сейсморазведки, сейсмологии и др. Однако, описание деформирования реальных горных массивов при импульсных нагрузках, вопросы интерпретации данных о волновых процессах невозможно решить без учета структурных особенностей сред. Таким образом, возникает проблема исследования волновых процессов в дискретных блочных и гранулированных средах. Важную информацию для изучения явлений микромеханики деформирования гранулированной среды можно извлечь из экспериментальных исследований на уровне масштаба частиц, которые описаны лишь в эпизодических публикациях. В связи с этим нами был разработан и всесторонне исследован тип датчика, который одновременно является структурным элементом гранулированной среды и измеряет силу, действующую на контакте элементов среды.
Ниже анализируются результаты экспериментальных исследований распространения нелинейных волн сжатия в одномерной гранулированной среде, которая моделировалась цепочкой 50 стальных шаров диаметром d = 41,25 мм и массой m = 286,7 г при ударе по ней массой М(М/m=0,04 - 3,5) со скоростью 0,16 м/с - 2,8 м/с. Акустические характеристики такой среды близки к акустическим характеристикам дискретной среды, составленной из гранул интрузивных пород Украинского щита.
Влияние иерархического строения гранулированной среды на параметры нелинейных волн моделировалось цепочкой 30 иерархических элементов, каждый из которых состоял из трех шаров диаметрами: d1 = 41,25 мм; d2 = 19,0 мм; d3 = 9,5 мм. Возмущение в гранулированной иерархической среде создавалось ударом тем же иерархическим элементом со скоростью 0,3 - 1,5 м/с.
|
|
|
|
|
Рис. 1
|
|
|
|
|
Рис. 2
|
|
|
Рис. 3
|
На рис.1 представлена начальная стадия эволюции возмущения, которое распространяется по горизонтальной цепочке 50 стальных шаров, диаметром d = 41,25 мм при ударе шарами массой равной и меньше массы шара в цепочке.
M/m=1,0, n =0,7 м/с; (см. рис. 1а)
M/m=0,5, n =0,7 м/с; (см. рис. 1б)
M/m=0,1, n =0,7м/с; (см. рис. 1в)
M/m=0,04, n =1,5) м/с (см. рис. 1г).
Анализ осциллограмм возмущений на первом шаре показывает их существенное различие при уменьшении массы удара. По мере уменьшения массы удара в начальном возмущении все более резко выделяется высокочастотное возмущение, за которым следует низкочастотное возмущение меньшей амплитуды. Однако во всех случаях возмущение уже на третьем шаре стабилизируется и таким сохраняется вдоль всей цепочки за исключением двух последних шаров.
На рис.2 приведены характерные осциллограммы трансформации возмущения в цепочке 50 шаров диаметром d = 41,25 мм при ударе двумя (а) и тремя (б) шарами, а также стальным роликом массой 1 кг (в) со скоростью 0,7 м/с.
Анализ приведенных данных показывает, что начальное возмущение распадается соответственно на два, три и четыре стационарных возмущения солитоноподобного типа.
Осциллограммы, представленные на рис.3, иллюстрируют эволюцию возмущения в иерархической одномерной цепочке при ударе тем же иерархическим элементом со скоростью 0,7 м/с.
Как видно из приведенных данных, уже на третьем иерархическом элементе возмущение стабилизируется и сохраняется таким вдоль всей цепочки за исключением двух последних элементов.
Для классификации стационарных возмущений, которые возникают в одномерной гранулированной среде при разных амплитудно-временных параметрах ее нагружения, они сравнивались с результатами численного моделирования и аналитическими расчетами в пределах задачи Герца. Анализ полученных экспериментальных данных показывает, что значения временной полуширины возмущений в регулярной гранулированной среде, в зависимости от максимальной силы описываются эмпирической зависимостью
Полученные экспериментальные данные удовлетворительно согласуются с численным моделированием автора и аналитическими расчетами Л.Д.Ландау-Е.М.Лифшица, что указывает на то, что регистрируемые в эксперименте стационарные возмущения - это солитоноподобные волны, которые формируются четырьмя шарами, что совпадает с результатами численного моделирования.
Анализ экспериментальных данных показывает, что при ударе по гранулированной иерархической среде таким же иерархическим элементом в последней формируется четырьмя иерархическими элементами стационарное возмущение.
Таким образом, нами впервые экспериментально исследована эволюция параметров возмущений, которые распространяются по гранулированной среде с учетом ее иерархического строения при ударе без нарушения свойств ее элементов. При этом обнаружено существование, начиная уже с третьего элемента среды, единственного стационарного возмущения солитоноподобного типа при ударе массой равной или меньшей массы элемента среды. При ударе по среде массой больше массы элемента гранулированной среды начальное возмущение по мере его распространения распадается на несколько солитонов, количество которых зависит от массы удара. Характерный пространственный размер всех без исключения солитонов не зависит от амплитуды возмущения и равен четырем элементам гранулированной среды.
