ИЗУЧАЯ ЗАГАДКИ СЕВЕРНОЙ ПРИРОДЫ
Известно, что естественно низкие температуры кроме того, что
создают тяжелые условия для жизни людей, сильно затрудняют и
проведение каких бы то ни было работ, поскольку значительно
усложняется технология: некоторые сорта металла становятся
хрупкими, застывают горюче-смазочные материалы, требуются
дополнительные затраты на подогрев техники и т.д. Вместе с тем,
холод стал незаменимым помощником: много лет человечество успешно
использует повышенную прочность мерзлых грунтов при
строительстве, природные низкие температуры при создании
естественных холодильников, ледовых переправ, зимников и
аэродромов.
С. Сукнев, д.т.н.
А. Курилко, к.т.н.
 |
| А. Курилко |
В экстремально-климатических условиях Севера проблемы приходится
решать постоянно. Пожалуй, как нигде в мире наука здесь
приближена к практике. Проведенный в Институте горного дела
Севера им. Н. В. Черского СО РАН цикл исследований свойств мерзлых
горных пород позволил выявить ряд закономерностей поведения
геоматериалов, которые объясняют некоторые природные явления и
при соответствующем развитии не только могут, но и должны быть
использованы при освоении регионов с суровыми климатическими
условиями. В частности установлено, что при воздействии циклов
замораживания-оттаивания коэффициенты фильтрации изменяются в сто
и более раз.
Все мы хорошо знаем, что лужа, образовавшаяся весной, довольно
быстро исчезает, а если на этом же месте лужа образуется осенью,
то вода стоит довольно долго, и месим мы грязь зачастую до самых
морозов. Это явление объясняется достаточно просто: когда зимой
грунт замерзает, то имеющаяся в его составе вода замерзает тоже,
расширяясь примерно на 9%. Когда же весной грунт растает, то в
земле образуется своеобразное сито, которое воду с
«удовольствием» пропускает и век весенней лужи весьма короток.
К осени образовавшиеся в земле поры закрываются, поскольку земля
утрамбовывается и осенняя лужа исчезать совсем не торопится.
Этот эффект безусловно имеет большое практическое значение.
Появляется возможность целенаправленно воздействовать на
глинистые породы. Если нам необходимо уменьшить фильтрацию,
например, с целью предотвращения дренирования какого либо
сооружения (дамбы) надо после оттайки грунтов закрыть поры, то
есть произвести уплотнение грунта. В случае необходимости
обеспечить хорошую фильтрацию, например при кучном выщелачивании,
можно подобрать такую технологию формирования «кучи», что
фильтрация будет существенно выше по сравнению с традиционной
укладкой.
 |
| Ведущий инженер Е. Никонов |
Принято считать, что разрушение скальных горных пород в условиях
низких температур требует существенно большей энергии, чем
обычно. Однако проведенные исследования позволили установить, что
прочность горных пород (карбонатные породы) в диапазоне
температур от 0 до минус 20 градусов Цельсия резко
снижается — на 30-50 %. Известно, что температура породы в массиве, как
правило, находится в диапазоне от минус 3 до минус 10 градусов
Цельсия, а это значит, что энергетические затраты при разрушении
пород в условиях естественных низких температур существенно ниже
и мощности той техники, которая применяется при положительных
температурах, вполне достаточно для разработки мерзлых горных
пород.
Хорошо известно, что одним из основных факторов выветривания
скальных горных пород является воздействие циклов
замораживания-оттаивания, при котором на горную породу
воздействуют как температурные напряжения, возникающие из-за
сжатия и расширения минералов, слагающих эти породы, так и
расклинивающие действия растущих в порах и трещинах пород
кристаллов льда.
В природных условиях в поверхностных слоях в течение года
происходит 30-100 циклов замораживания-оттаивания.
Воздействие первых 3-10 циклов замораживания-оттаивания
существенно уменьшает прочность некоторых типов горных пород
вплоть до полного разрушения (дезинтеграции). На степень
воздействия влияют прочность породы, пористость, влажность и т.д.
Это необходимо учитывать при разработке мероприятий по
обеспечению устойчивости открытых и подземных горных выработок,
устьевых участков транспортных тоннелей и пр.
С другой стороны, дезинтеграция руды при воздействии циклов
замораживания-оттаивания способствует раскрытию полезных
минералов и, в частности, сохранению кристаллов, поскольку нет
механического воздействия. Это может быть использовано для
разработки новых кристаллосберегающих технологий добычи алмазов,
поскольку морозостойкость кимберлитов, как показали исследования,
низкая.
 |
|
Проблема обеспечения прочности и устойчивости горных выработок
была и остается чрезвычайно актуальной. Традиционные критерии
прочности, которые используются во всех расчетах, основаны на
гипотезе о том, что предельное состояние горных пород наступает,
когда напряжения в какой-либо точке достигают некоторого
предельного значения. Ранее на металлических материалах было
показано, что течение (разрушение) наступает тогда, когда эти
критические напряжения возникают в некотором объеме материала.
Причем процесс разрушения существенно зависит от неоднородности
распределения (градиента) напряжений. Для исследования этих
процессов в геоматериалах в Институте разработана установка на
базе универсальной испытательной машины UTS 250 (UTStestsystem,
Германия) и многоканального измерительного комплекса «МЕРА» (НПО
«Энергия», Россия). Результаты проведенных исследований показали,
что процессы образования трещин в геоматериалах могут быть
описаны в рамках градиентного подхода, сочетающего преимущества
статистического и детерминистического подходов, и должны
учитываться при оценке напряженного и предельного состояния
горных массивов. В настоящее время для оценки напряженного
состояния массива горных пород широко используются методы,
основанные на наблюдении первых признаков разрушения в областях
концентрации напряжений и последующего использования известного
решения упругой задачи. Однако, их применение возможно, только
если известны локальные механические свойства материала. Проблема
заключается в том, что эти свойства подвержены влиянию
масштабного фактора, причем наиболее сильно масштабный эффект
проявляется как раз в условиях концентрации напряжений вблизи
пустот, выработок, скважин и т.п.
Применение градиентного подхода позволяет описать масштабный
эффект и учесть его при проектировании подземных сооружений.
Значительный интерес представляет исследование влияния структуры
материала на закономерности трещинообразования и разрушения.
Такие работы в планах лаборатории механики геоматериалов на
ближайшее время.
Фото В. Новикова
стр. 5
|
