Известия РАН. Серия физическая, 2021, T. 85, № 9, стр. 1282-1286

ВВЕДЕНИЕ

Разрушение геоматериалов (минералов, горных пород и руд) является научной проблемой, имеющей как прикладную, так и фундаментальную направленность, связанную с установлением закономерностей развития трещин на разных масштабных уровнях [1–6]. Процесс разрушения твердых тел, наряду с условиями нагружения (внешних воздействий) и другими факторами, во многом обусловливается структурно-химическими свойствами материала (химический и фазовый состав, размер зерен, естественная пористость), а также наличием микродефектов на различных структурных уровнях, что определяет физические свойства материалов, в том числе прочностные, а для газонасыщенных материалов еще и их способность к газоотдаче [7]. Микротрещины, как нарушения сплошности твердых тел, между берегами которых разорваны молекулярные связи, являются важным элементом структуры (субмикроструктуры) геоматериалов и представлены в виде дефектов от атомного до субзеренного масштаба [3, 4, 7, 8]. Микротрещины могут изначально присутствовать в твердом теле или образовываться в результате внешних воздействий. Вопросам образования и развития микротрещин в материалах, в том числе горных породах, минералах и рудах, в результате механических, физико-химических, электрохимических, тепловых, электроимпульсных и других энергетических воздействий в последнее время уделяется много внимания, например, в [6, 9–14]. Для изучения свойств и механизмов образования микротрещин в горных породах применяются методы оптической, электронной и сканирующей зондовой микроскопии, рентгеновской компьютерной микротомографии, акустической эмиссии и другие экспериментальные методы [6, 7], а также аналитические методы с использованием численного моделирования [6, 15].

В рамках указанной проблематики мы впервые представляем результаты экспериментальных исследований по влиянию нетеплового [14–16] воздействия периодически следующих мощных наносекундных электромагнитных импульсов (МЭМИ [6, 14–17]) на процесс образования, структурные и морфологические особенности микротрещин в образцах горных пород (угля, песчаника и гранита).

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДИКИ ИССЛЕДОВАНИЙ

Исследования проводили на образцах горных пород неправильной формы со свежесколотой поверхностью и специально приготовленных полированных аншлифах размером ~(10–15) × (10–15) × × 5 мм. Электромагнитную импульсную обработку образцов проводили при стандартных условиях; продолжительность энергетического воздействия (время обработки t_обр) изменяли в диапазоне от 60 до 300 с; выходные электрофизические параметры генератора наносекундных импульсов (длительность импульса – ~10 нс, амплитуда импульса – ~30 кВ, напряженность электрического поля в межэлектродном промежутке порядка E ~ 10⁷ В ∙ м^–1; частота повторения импульсов – ~100 Гц) подробно приведены в [18–20].

Морфологические особенности поверхности образцов до и после воздействия МЭМИ изучали методом растровой электронной микроскопии (РЭМ). Использовали электронный микроскоп JEOL JSM-6610 LV с низковакуумным режимом работы (LV), что позволяло исследовать образцы горных пород без предварительного напыления на их поверхность токопроводящих слоев или применения специального скотча. При обработке и анализе цифровых РЭМ-изображений поверхности образцов основное внимание уделяли развитию микротрещиноватости. Для угля проведены исследования изменений внутренней структуры образцов с использованием рентгеновской компьютерной микротомографии (РКМТ, настольный рентгеновский микротомограф высокого разрешения SkyScan 1172).

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Результаты растровой электронной микроскопии поверхности образцов горных пород свидетельствовали в целом об отсутствии микродефектов типа трещин и пор в исследуемых геоматериалах в исходном (до воздействия МЭМИ) состоянии. Исключения составляли небольшая часть образцов угля, в которых наблюдали немногочисленные микротрещины с раскрытием 0.2–0.3 мкм. По данным РЭМ в результате воздействия МЭМИ в течение t_обр = 300 с на поверхности образцов угля происходило формирование системы микротрещин, распространяющихся, как правило, по строго прямолинейным траекториям (рис. 1а). Величина раскрытия отдельных трещин составляла 0.2–0.5 мкм и ~2.5 мкм. На характер формирования микротрещин и их распространение оказывало влияние наличие включений в угле (рис. 1б). Структурные изменения после электроимпульсной обработки в большей степени характерны для образцов, отобранных из выбросоопасных угольных пластов, которые отличаются хрупкостью.

Рис. 1.

Морфология микротрещин на поверхности образца угля после воздействия МЭМИ. РЭМ, масштабные линейки: 5 (а) и 10 мкм (б).

Методом рентгеновской компьютерной микротомографии произведено сканирование и получены изображения (срезы) внутренней структуры образца угля по трем взаимно-перпендикулярным направлениям до и после электромагнитной импульсной обработки. В отдельных образцах угля при сканировании внутреннего объема выявлена система микротрещин. В качестве примера на рис. 2 представлена система протяженных микротрещин длиной до 6.0 мм и с величиной раскрытия до 30–40 мкм в одной из проекций сканирования образца. В то же время необходимо отметить, что после электроимпульсной обработки в тех образцах угля, на поверхности которых по данным РЭМ наблюдались многочисленные новообразования в виде микротрещин, при исследованиях методом РКТМ новых микротрещин в объеме материала обнаружить не удалось. Объяснение этому экспериментальному факту может быть следующее.

Рис. 2.

Образование микротрещин в объеме образца угля при воздействии МЭМИ. РКМТ, масштабная линейка – 1.5 мм.

Одним из возможных механизмов дезинтеграции углей при воздействии МЭМИ является скин–эффект, связанный с концентрированием полного тока преимущественно вблизи поверхности проводника с повышением частоты переменного электромагнитного поля [21], в результате чего диссипация энергии поля происходит не равномерно по сечению образца, а в поверхностном слое. Следует отметить, что вопрос об электрофизических свойствах углей неоднозначен: в угольном веществе кристаллоподобная графитизированная фаза близка по своим свойствам к металлам, а аморфизированная фаза – к диэлектрикам [22].

Для образцов песчаника в результате воздействия МЭМИ наблюдалось образование и распространение микротрещин преимущественно по границам зерен (интеркристаллитное разрушение) (рис. 3), однако, анализ РЭМ-изображений свидетельствует о немногочисленности дефектов такого вида. На поверхности образцов гранита вновь образованных микротрещин и других четко выраженных микроструктурных изменений не наблюдали.

Рис. 3.

Вид микродефектов в песчанике до (а) и после (б) воздействия МЭМИ. РЭМ, масштабные линейки – 100 мкм.

Определенный научный интерес представляет сравнение результатов исследований по влиянию различных видов энергетических воздействий на процесс образования и параметры микродефектов в геоматериалах с различными структурно-химическими, электрофизическими и физико-химическими свойствами [6, 23]. При сопоставлении полученных в данной работе результатов с экспериментальными данными [12] по формированию системы микротрещин в горных породах при взрывном воздействии установлено, что минимальная величина раскрытия микротрещин в горных породах после взрывного и электромагнитного импульсного (МЭМИ) воздействий составляет ~0.2–0.3 мкм, а наиболее характерная ширина раскрытия – 2–3 мкм. Также по данным РЭМ, большинство микротрещин, возникающих в горных породах в результате действия высокого импульсного давления, создаваемого взрывом, и влияния воздействия наносекундных импульсов высокого напряжения, имеют характер трещин нормального отрыва; сдвиговый характер формирования дефектов в целом не наблюдался.

При взрывном воздействии вновь образующиеся трещины распространялись в пределах границ зерен горных пород, т.е. характер разрушения преимущественно транскристаллитный [7, 8, 12], однако, также наблюдались микротрещины по границам раздела зерен, связанные или полностью совпадающие с границей их раздела [12]. При воздействии коротких высоковольтных импульсов для песчаника и гранита наблюдалось образование и распространение микротрещин преимущественно по границам зерен (интеркристаллитное разрушение, определяющее селективную дезинтеграцию руд при воздействии МЭМИ [6, 15, 23, 24]), а для образцов угля на характер траектории распространения микротрещин существенное влияние оказывает наличие микровключений. Следует отметить, что в данной работе рассмотрен процесс образования новых (вновь образованных) микротрещин, а не развитие ранее существующих микродефектов. Структура микротрещин в угле существенно отличалась от субструктуры микродефектов в других горных породах, так что микротрещины в угле могут иметь значительную длину и распространяться до границ образца.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате проведенных исследований установлено, что воздействие мощных электромагнитных импульсов наносекундной длительности вызывает образование в горных породах (угле, песчанике и граните) отдельных межкристаллитных микротрещин с минимальной и максимальной величиной раскрытия 0.2 мкм и 2–3 мкм соответственно. Эффективность влияния нетеплового воздействия МЭМИ на процесс образования микротрещин в изученных горных породах в наибольшей степени проявилась для образцов угля. Для песчаника и гранита (горных пород – природных диэлектриков) эффект образования микротрещин в результате воздействия МЭМИ имеет менее выраженный характер. Морфология и субструктура микротрещин в угле, песчанике и граните существенно различалась, так что для песчаника и гранита образование и распространение микротрещин происходило преимущественно по границам зерен; для образцов угля, по всей видимости, характерен смешанный механизм разрушения. В целом большинство микротрещин, образующихся в рассмотренных горных породах в результате воздействия МЭМИ, имели характер трещин нормального отрыва. Полученные в работе экспериментальные результаты имеют актуальность и научную новизну для понимания механизмов образования микротрещин в геоматериалах и изменения структурно-чувствительных свойств горных пород при различных внешних энергетических воздействиях.