The character of disruption of the rocks surface during rapid cooling

Abstract

Вивчення закономірностей розвитку системи макро¬ й мікротріщин у гірських породах при різкому охолодженні для ефективного знеміцнення гірських порід. Методика. Вирішення питання щодо розвитку системи тріщин засноване на тому, що в результаті різкого охолодження в поверхневому шарі породи розвиваються напруження розтягу. Розтягнутий шар набуває потенційну енергію, залежну від режимів теплового впливу та властивостей породи. У певний момент часу енергія розтягнутого шару починає витрачатися на створення нових поверхонь зростаючої системи макро¬ й мікротріщин. Результати. Запропонована модель поведінки поверхневого шару гірських порід в умовах термічного удару охолодженням, що припускає розвиток у породі системи макротріщин розриву й системи мікротріщин, що рухаються в шарі за фронтом охолодження. Отримана залежність, що дозволяє визначати глибину проникнення системи макротріщин у породу в залежності від режимів теплового впливу та фізико¬механічних властивостей гірських порід. Експериментально доведено формування в розтягнутому охолодженому шарі системи мікротріщин, що змінюють властивості міцності порід у межах охолодженого шару. Показано, що система макротріщин рухається в масиві з уповільненням і проникає в породу глибше товщини охолодженого шару, а мікротріщини формуються в межах розтягнутого охолодженого шару. Показано, що глибина проникнення системи макротріщин у масив практично не залежить від режиму термоудару охолодженням і визначається фізико-механічними властивостями порід і часом впливу. Збільшення потенційної енергії розтягнутого шару породи за рахунок підвищення різниці температур між нагріванням і охолодженням («посилення» режиму термоудару) призводить, в основному, до збільшення ступеня дроблення породи сіткою тріщин. Наукова новизна. Уперше розглянуто розвиток не одиночної тріщини в породі при різкому охолодженні, а системи тріщин. Запропонована модель поведінки поверхневого шару гірських порід в умовах різкого охолодження. Розглянуті геометричні аспекти формування й руху системи макротріщин у масив унаслідок термоциклічного навантаження. Доведено факт формування поряд із макротріщинами – системи мікротріщин, що змінюють властивості міцності порід у зоні формування. Практична значимість. Встановлена аналітична залежність, що дозволяє визначати глибину проникнення системи тріщин у гірські породи в результаті термоудару охолодженням, і, як наслідок, оцінювати розміри зони ураження порід макро¬ й микротрещинами, а також ступінь знеміцнення гірських порід у залежності від фізикомеханічних властивостей і режимів термоудару охолодженням. Результати застосовуються при використанні термоциклічного впливу в реальних технологічних процесах: підготовки гірських порід до механічного руйнування, гідророзриву, розпушування, вибухового руйнування. Purpose. The purpose of this study is investigation of the patterns of occurrence of the system of macro¬ and microcracks in the rocks during rapid cooling for their effective softening. Methodology. The solution of the problem of crack system development is based on the fact that, as a result of rapid cooling in the surface layer of the rock, the tensile stresses are developed. The stretched layer acquires potential energy, depending on the modes of thermal influence and rock properties. At a certain point, the energy of the stretched layer starts to be spent on the formation of new surfaces of the growing system of macro¬ and microcracks. findings. A model of behavior of the surface layer of rocks in the conditions of thermal shock by cooling is proposed. This model takes into account the development of a fracture macrocrack system and a microcrack system that move in the layer behind the cooling front. The dependence has been obtained that allows determining the penetration depth of a macrocrack system in the rock depending on the thermal exposure regimes and the physical and mechanical properties of the rocks. The formation of a microcrack system in the stretched cooled surface layer which changes its strength properties is experimentally proved. It is shown that the system of macrocracks moves into the array with deceleration and penetrates into the rock deeper than the thickness of the cooled layer, while microcracks are formed within the extended cooled layer. It is shown that the penetration depth of the macrocrack system into the rock is practically independent of the mode of thermal shock by cooling and is determined by the physical and mechanical properties of the rock and the time of exposure. Increasing the potential energy of the stretched rock layer due to an increase in the temperature difference between heating and cooling (“toughening” of the thermal shock regime) leads mainly to an increase in the density of a cracking net on the rock surface. originality. For the first time the development of a crack system rather than a single crack in a rock during rapid cooling was considered. The model of the rock surface layer behavior under the conditions of rapid cooling is proposed. The geometric aspects of the initiation and propagation of a macrocrack system into the rock due to thermocycling loading are considered. The fact of initiation of a microcrack system along with macrocracks which change the strength properties of rock in the formation zone is proved. Practical value. The analytical dependence is obtained that allows determining the penetration depth of a crack system in rocks as a result of thermal shock by cooling. This dependence makes it possible to estimate the size of the damaged by macro and microcracks zone of a rock, as well as the degree of rock softening depending on its physical and mechanical properties and thermal shock modes of cooling. The results are used in real technological processes with thermocycling impact such as preparing rocks for mechanical destruction, hydraulic fracturing, loosening and explosive destruction.