Печатная версия
Архив / Поиск

Archives
Archives
Archiv

Редакция
и контакты

К 50-летию СО РАН
Фотогалерея
Приложения
Научные СМИ
Портал СО РАН

© «Наука в Сибири», 2019

Сайт разработан и поддерживается
Институтом вычислительных
технологий СО РАН

При перепечатке материалов
или использованиии
опубликованной
в «НВС» информации
ссылка на газету обязательна

Наука в Сибири Выходит с 4 июля 1961 г.
On-line версия: www.sbras.info | Новости | Архив c 1961 по текущий год (в формате pdf), упорядоченный по годам
 
в оглавлениеN 40 (2476) 8 октября 2004 г.

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.

Иллюстрация
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.

Иллюстрация
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.

Иллюстрация

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

в оглавление

Версия для печати  
(постоянный адрес статьи) 

http://www.sbras.ru/HBC/hbc.phtml?15+306+1