CC BY
1
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПО ВЫЯВЛЕНИЮ ТЕМПЕРАТУРНО-ВЛАЖНОСТНЫХ УСЛОВИЙ НА ПРОЧНОСТЬ МОНОМИНЕРАЛЬНОЙ ГОРНОЙ ПОРОДЫ (НА ПРИМЕРЕ ИЗВЕСТНЯКА)
Н.М. Качурин, Г.В. Стась, Н.Н. Бородкина, А.А. Толкачев
Представлены результаты экспериментальных исследований влияния влаж-ностно-температурных воздействий на разрушение образцов горных пород. Установлено, что механизм дезинтеграции горных пород развивается за счет формирования в объеме породы неоднородных напряжений в зависимости от влажности известняка. Полученные экспериментальные данные свидетельствуют о существенном влиянии начального влагосодержания на напряженное состояние кускового материала горных пород различных марок и могут быть использованы для снижения энергозатрат на разрушение горных пород в процессе дробления и измельчения, а также послужить основой для разработки энергосберегающей и эффективной технологии переработки полезных ископаемых, повышающих раскрытие минеральных зерен.
Ключевые слова: горные породы, карьеры по добычи известняка, определение прочности щебня в цилиндре, влажность горной породы.
Введение
К особенностям территории России относят, прежде всего, широкий спектр континентального климата. Это территории криолитозоны России с резко континентальным климатом, с низкими среднемесячными температурами воздуха до тропического, с среднемесячными положительными температурами. Любое месторождение полезных ископаемых, добываемое открытым способом, испытывает воздействие криогенеза - процесса деструктивного преобразования горной породы при добыче, за счет изменения влажности и температуры. Криогенез оказывает влияние на физические, химические и механические характеристики минералов, в совокупности, определяющие их технологические свойства. И в первую очередь на влажность, пористость, плотность и твердость. Наряду с основными факторами, определяющими процессы при криогенезе, следует отметить важный фактор, как миграцию влаги в горных породах [1, 2].
Индивидуальное влияние всех этих факторов разнообразно, противоречиво и мало изучено. В то же время их раздельное или комплексное использование позволит разрабатывать эффективные технологические приемы по интенсификации карьерных процессов, снижению энергозатрат при разработке, добычи, дроблению и измельчении [3].
Постановка задачи
При анализе деформативных и прочностных свойств горных пород в значительной степени влияет присутствие микротрещин в структуре. В свете последних исследований горных пород, оказалось, что образование микротрещин возможно также за счет внутренних напряжений при миграции влаги по структуре камня. Необходимо отметить, что наряду с влаж-
ностью на величину и характер изменения прочностных и деформативных свойств большое влияние оказывают величина и характер пористости материала.
Изложенные представления позволяют сделать следующий вывод: более эффективный механизм дезинтеграции горных пород развивается за счет формирования в структуре породы неоднородных напряжений; максимальные значения этих напряжений связаны со степенью насыщения порового пространства породы влагой.
В этой связи в качестве объекта исследований выбран кусковой материал горных пород - известняк - различных марок.
Цель работы: определить прочность щебня по результатам дроби-мости при различной влажности и постоянной температуре (23 0С).
Приборы и оборудование: набор сит размером 1,25 мм (для фракции 5.. .10 мм), 2,5 мм (фракции 10...20 мм), 5 мм (фракции 20...40 мм), пресс ПСУ-50 т, ПСУ-10 т, мерные сосуды, весы, цилиндр 75 мм и плунжер 74,9 мм.
Определение дробимости
Прочность щебня (гравия) оценивают косвенным показателем дро-бимости при сжатии в цилиндре. Дробимость щебня (гравия) определяют по степени разрушения зерен при сжатии (раздавливании) в цилиндре [4 -10].
План экспериментов
Испытание щебня по фракциям на дробимость в зависимости от влажности проводим в следующей последовательности.
1. Щебень в сухом состоянии (до постоянной массы) просеиваем по фракциям 5.10, 10.20 и 20.40 мм.
2. Испытание щебня по фракциям:
В цилиндре диаметром 75 мм - навеска не менее 0,5. 1,0 кг.
В цилиндре диаметром 150 мм - навеска не менее 4 кг.
3. Испытываем щебень в цилиндре на прессе.
В цилиндре диаметром 75 мм давление пресса 50 кН (500 кгс).
В цилиндре диаметром 150 мм давление пресса 200 кН (2000 кгс).
4. Испытываемую пробу высыпаем из цилиндра и взвешиваем.
5. Просеиваем в зависимости от размера испытываемой фракции через сито с отверстиями размером:
- 1,25 мм - для щебня размером фракции от 5 до 10 мм;
- 2,5 мм - то же св. 10 до 20 мм;
- 5,0 мм - тоже св. 20 до 40 мм.
6. Остаток щебня на сите после просеивания взвешиваем.
7. При испытании щебня во влажном состоянии навеску на сите тщательно промывают водой и удаляют поверхностную влагу с зерен щебня мягкой влажной тканью.
8. Обработка результатов испытания.
Средства контроля и вспомогательное оборудование
Пресс гидравлический с максимальным усилием до 500 кН по ГОСТ 28840.
Цилиндры стальные с внутренними диаметрами 75 и 150 мм и высотой соответственно 75 и 150 мм со съемным дном и плунжером (рис. 1).
Дробилка щековая лабораторная марки ДЛЩ 60х100.
Весы настольные циферблатные по ГОСТ 29329 или лабораторные по ГОСТ 24104.
Сита из стандартного набора. Шкаф сушильный. Сосуд для насыщения щебня водой.
Порядок подготовки к испытанию
При испытании щебня, состоящего из смеси двух или более смежных фракций, исходный материал рассеивают на стандартные фракции и каждую фракцию испытывают отдельно. Щебень фракции от 5 до 10, св. 10 до 20 или св. 20 до 40 мм просеивают через два сита с отверстиями, соответствующими наибольшей Онсшб. и наименьшей Ошим. крупности испытываемой фракции. От остатков на сите отбирают две аналитические пробы массой не менее 0,5 кг каждая при испытании в цилиндре диаметром 75 мм и не менее 4 кг - при испытании в цилиндре диаметром 150 мм. Щебень крупнее 40 мм предварительно дробят и испытывают фракции св. 10 до 20 мм или св. 20 до 40 мм. При одинаковом петрографическом составе щебня фракции св. 20 до 40 мм и св. 40 до 70 мм прочность последней допускается характеризовать результатами испытаний фракции св. 20 до 40. Щебень допускается испытывать как в сухом, так и в насыщенном водой состоянии. Аналитические пробы для испытания в сухом состоянии высушивают до постоянной массы, а для испытания в насыщенном водой состоянии погружают в воду на 2 ч. После насыщения водой с поверхности зерен щебня удаляют влагу мягкой влажной тканью. Испытание щебня при определенной влажности проводят в следующей последовательности:
Необходимую навеску для испытаний щебня высушивают до постоянной массы в сушильном шкафу при температуре 100.105 0С . После сушки в навеску щебня добавляют воду в процентном отношении, к навеске, тщательно перемешиваем и в герметичной таре оставляем на сутки. После суток и насыщения водой щебень испытываем на прочность в цилиндре.
Порядок проведения испытания
При определении марки щебня (гравия) применяют цилиндр диаметром 150 мм. Для приемочного контроля качества щебня (гравия) фракции от 5 до 10 и св. 10 до 20 мм допускается применять цилиндр диаметром 75 мм (рис.1).
1 2
Рис. 1. Цилиндры и плунжеры для испытания щебня на дробимость: 1 - цилиндр 75 мм и плунжер; 2 - цилиндр 150 мм и плунжер
Пробу щебня (гравия) насыпают в цилиндр с высоты 50 мм так, чтобы после разравнивания верхний уровень материала примерно на 15 мм не доходил до верхнего края цилиндра. Затем в цилиндр вставляют плунжер так, чтобы плита плунжера была на уровне верхнего края цилиндра. Если верх плиты на плунжере не совпадает с краем цилиндра, то удаляют или добавляют несколько зерен щебня. После этого цилиндр помещают на нижнюю плиту пресса (рис. 2).
Рис. 2. Пресс гидравлический с максимальным усилием до 500 кН
Увеличивая силу нажатия пресса на 1.2 кН (100.200 кгс) в секунду, доводят ее при испытании щебня (гравия) в цилиндре диаметром 75 мм до 50 кН (500 кгс), при испытании в цилиндре диаметром 150 мм -до 200 кН (2000 кгс). После сжатия испытываемую пробу высыпают из цилиндра и взвешивают. Затем ее просеивают в зависимости от размера испытываемой фракции через сито с отверстиями размером:
- 1,25 мм - для щебня размером фракции от 5 до 10 мм;
- 2,5 мм - то же св. 10 до 20 мм;
- 5,0 мм - св. 20 до 40 мм.
Остаток щебня на сите после просеивания взвешивают. При испытании щебня в насыщенном водой (влажном) состоянии навеску на сите тщательно промывают водой и удаляют поверхностную влагу с зерен щебня мягкой влажной тканью.
Обработка результатов испытания.
Дробимость (%), определяют с точностью до 1 % по формуле, где т - масса испытываемой пробы щебня, г; т1 - масса остатка на контрольном сите после просеивания раздробленной в цилиндре пробы щебня (гравия), г. За результат принимают среднеарифметическое значение двух параллельных испытаний.
Исследования прочности щебня по дробимости были проведены в широком диапазоне, а именно трех марок - М400, 600 и 1000.
Результаты определения прочности щебня, по дробимости, фракции 5 - 10 мм представлены в табл. 1., фракции 10 - 20 мм - в табл. 2. и фракции 20 - 40 мм - в табл. 3.
На рис. 3 - 5 представлены зависимости потери прочности известнякового щебня от увеличения влажности фракции 5 - 10 мм, 10 - 20 мм и 20 - 40 мм. Потерю прочности щебня (%) рассчитывали по отношению к высушенном до постоянной массы состояния.
Таблица 1
Результаты эксперимента по определению прочности щебня (дробимости) фракции (5 -10 мм)
Влажность щебня, % Марка, М 400 Марка, М 600 Марка, М 1000
Нсж по Вр Потеря Ясж, от ж ,% Нсж по Вр Потеря Ясж от ж, % Нсж по Вр Потеря Ясж от ж, %
0, сухой 52,9 0 60 0 85,6 0
10 47,3 11 54,6 9 81,4 5
15 45,1 14,7 50,4 16 74,6 12,9
30 40,3 23,8 47,2 21 70,2 18
Таблица 2
Результаты эксперимента по определению прочности щебня (по дробимости) фракции (10...20мм)
Влажность щебня, % Марка , М 400 Марка, М600 Марка М1000
Ясж по Вр Потеря Ясж от Ж, % Ясж по Вр Потеря Ясж от Ж, % Ясж по Вр Потеря Ясж, от Ж, %
0, сухой 51,6 0 63,1 0 81,6 0
10 47,3 8,34 58,2 7,8 75,5 5,7
15 44,1 14,4 53,1 15,9 72,6 9,25
30 41,2 20,2 49,6 22,4 68,3 14,7
Рис. 3. График зависимости потери прочности щебня (по дробимости)
от влажности (фракции 5 -10 мм)
Рис. 4. График зависимости потери прочности щебня (по дробимости)
от влажности (фракции 10 - 20 мм)
Таблица 3
Результаты эксперимента прочности щебня (по дробимости)
фракции (20 - 40 мм)
Влажность щебня, % Марка М 400 Марка М 600 Марка М1000
Ясж по Dp Потеря Ясж от W, % Ясж по Dp Потеря Ясж, от W, % Ясж по Dp Потеря Ясж, от W, %
0, сухой 52,4 0 62,1 0 88,2 0
10 48,25 8 57,9 7 82,4 6,6
15 45,1 11,9 53,8 13,4 77,2 12,5
30 42,2 19,4 50,1 19,4 70,8 19,73
плптрря % 2422
20 18 16 П 12 Ю 8 6 4 2
О 5 Ю 15 20 25 ЗО щ %
Рис. 5. График зависимости потери прочности щебня (по дробимости) от влажности (фракции 20 - 40 мм)
Выводы:
1. Испытание известнякового щебня на прочность, по дробимости, проводили в широком диапазоне (разной прочности) от 40 до 100 МПа.
2. Эксперименты показали, что температурно-влажностные условия влияют на прочность мономинеральной горной породы. Уменьшение прочности щебня достигала до 25 % при влажности горной массы 30 % и более.
3. Потеря прочности щебня зависит от марки породы. Так, для мало прочных известняков (М600 и менее) потеря прочности может достигать 25.30 %, а для М800 и выше составляет не более 18.20 %.
4. Эксперименты показали, что характер изменения (уменьшения) прочности щебня в зависимости от влажности легко согласуются с временными погодными условиями (лето, осень, зима, весна) работы карьера.
5. Полученные экспериментальные данные дают возможность прогнозировать энергозатраты по добычи и обработке мономинеральной горной породы в карьерах.
Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда № 23-17-00148, https://rscf.ru/proiect/23-17-00148/.
Список литературы
1. Захаров Е.И., Качурин Н. М., Панферова И. В. Основы промышленной экологии. Тула: Тул. техн. ун-т, 1993. 185 с.
2. Качурин Н.М., Белая Л.А., Корчагина Т.В. Геоэкологический мониторинг и оценка воздействия на окружающую среду горнопромышленного региона // Изв. вузов. Горный журнал. 2010. N 6. С. 32-37.
3. Технологический регламент на технологический процесс производства портландцемента ТР (П) 96296658.1.1-2020. Филиал ООО «Хайдельберг Цемент Рус. В п. Новогуровский Тульской области.
4. ГОСТ 8267-93. Щебень и гравий из плотных горных пород для строительных работ. Технические условия.
5. ГОСТ 8269.0-97. Щебень и гравий из плотных горных пород и отходов промышленного производства для строительных работ. Методы физико-механических испытаний.
6. Ляшенко В.И., Голик В.И., Клюев Р.В. Оценка эффективности гидрогеологической и окружающей среды при подземном блочном выщелачивании металлов из руд // Горные науки и технологии. 2022. Т. 7. № 1. С. 5-17.
7. Голик В.И. Практика использования дезинтеграторов для меха-нохимической активации вяжущей компоненты бетонов // Известия Тульского государственного университета. Науки о Земле. 2021. Вып. 2. С. 155167.
8. Бетоны из отходов горного производства для подземного строительства / В.П. Стась [и др.] // Технологии бетонов. 2022. № 1 (180). С. 3540.
9. Коррекция свойств бетонов в горном производстве / Ю.В. Дмит-рак, В.Х. Дзапаров, В.П. Стась, П.П. Стась // Технологии бетонов. 2020. № 9-10 (170-171). С. 39-43.
10. Управление состоянием напряженно-деформированных массивов разгрузкой от напряжений / В.И. Голик, Н.Г.О. Валиев, Г.Х. Шарипзя-нова, В.Б. Келехсаев // Известия высших учебных заведений. Горный журнал. 2023. № 5. С. 29-37.
Качурин Николай Михайлович, д-р техн. наук, проф., зав. кафедрой, [email protected], Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Стась Галина Викторовна, д-р техн. наук, проф., [email protected], Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Бородкина Наталья Николлаевна, инженер, [email protected], Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Толкачев Алексей Андреевич, асп., alekseyprom'a,yandex.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет
EXPERIMENTAL STUDIES TO IDENTIFY TEMPERATURE AND HUMIDITY CONDITIONS FOR THE STRENGTH OF MONOMINERAL ROCK (ON THE EXAMPLE OF LIMESTONE)
N.M. Kachurin, G.V. Stas, N.N. Borodkina, А.А. Tolkachev
The results of experimental studies of the influence of humidity and temperature influences on the destruction of rock samples are presented. It is established that the mechanism of disintegration of rocks develops due to the formation of heterogeneous stresses in the rock volume depending on the humidity of limestone. The experimental data obtained indicate a significant effect of the initial moisture content on the stress state of the lump material of rocks of various grades. The experimental studies obtained can be used to reduce energy consumption for the destruction of rocks in the process of crushing and grinding, as well as serve as a basis for the development of energy-saving and efficient technology for processing minerals that increase the disclosure of mineral grains.
Key words: rocks, limestone quarries, determination of the strength of crushed stone in the cylinder, humidity of the rock.
Kachurin Nikolai Michailovich, doctor of technical sciences, professor, head of chair, [email protected], Russia, Tula, Tula State University,
Stas Galina Viktorovna, doctor of technical sciences, professor, [email protected], Russia, Tula, Tula State University,
Borodkina Natalia Nikolaevna, engineer, nataliborodkina@yandex. ru, Russia, Tula, Tula State University,
Tolkachev Alexey Alexandrovich, postgraduate, [email protected], Russia, Tula, Tula State University
Reference
1. Zakharov E.I., Kachurin N. M., Panferova I. V. Fundamentals of industrial ecology. Tula: Tula Tech. Univ., 1993. 185 p.
2. Kachurin N.M., Belaya L.A., Korchagina T.V. Geoecological monitoring and environmental impact assessment of the mining region // Izv. vuzov. Mining magazine. 2010. N 6. pp. 32-37.
3. Technological regulations for the technological process of production of Portland cement TR (P) 96296658.1.1-2020. A branch of Heidelberg Cement Rus LLC in Novogurov-sky settlement of the Tula region.
4. GOST 8267-93. "Crushed stone and gravel from dense rocks for construction work. Technical conditions".
5. GOST 8269.0-97. "Crushed stone and gravel from dense rocks and industrial waste for construction work. Methods of physical and mechanical tests".
6. Lyashenko V.I., Golik V.I., Klyuyev R.V. Assessment of the effectiveness of hy-drogeological and environmental protection during underground block extraction of metals from ores // Mining sciences and technologies. 2022. Vol. 7. No. 1. pp. 5-17.
7. Golik V.I. The practice of using disintegrators for the mechanochemical activation of the binding component of concretes // Izvestiya Tula State University. Earth Sciences. 2021. Issue. 2. Pp. 155-167.
8. Concretes from mining waste for underground construction / V.P. Stas [et al.] // Technologies of concretes. 2022. No. 1 (180). pp. 35-40.
9. Correction of concrete properties in mining production / Yu.V. Dmitrak, V.H. Dzaparov, V.P. Stas, P.P. Stas // Technologies of concrete. 2020. No. 9-10 (170-171). pp. 3943.
10. Management of the state of stress-deformed masses by stress relief / V.I. Golik, N.G.O. Valiev, G.H. Sharipzyanova, V.B. Kelekhsaev // Izvestiya vysshikh uchebnykh uchebnykh zavody. Mining magazine. 2023. No. 5. pp. 29-37.
УДК 622
МЕТАНОВЫДЕЛЕНИЕ ИЗ СМЕЖНЫХ УГОЛЬНЫХ ПЛАСТОВ
НА ОЧИСТНОМ УЧАСТКЕ ШАХТЫ «ЛИСТВЯЖНАЯ»
В. В. Мельник, А. Н. Качурин, В. Г. Шехманов, А. И. Болгова
Для прогноза полей концентрации метана рассчитана динамика газовыделения на шахте «Листвяжная». Эти закономерности далее использованы в качестве исходных данных. В результате моделирования установлено, что метановыделение из выработанного пространства очистного участка составляло 96 %, при этом доля подработанных пластов спутников равна 67 %, а на остальные источники метановыделения приходится всего 4,7 % при неработающем очистном комбайне. Метановыделение из надрабатываемого пропластка составляло 48,87 м3/мин. Метановыделение из надрабатываемого пласта Сычевский I (нижний) достигало 10,18 м3 /мин. Абсолютная метанообильность призабойного пространства подготовительного штрека при неработающем комбайне могла достигать 64,65 м3/мин.
Ключевые слова: смежный угольный пласт, метановыделение, подработка пласта, надработка пласта, математическая модель.
Газовыделение в очистной забой из смежных угольных пластов.
Для моделирования газовыделения в очистной забой № 823 из смежных угольных пластов использованы теоретические основы рудничной аэрогазодинамики, а конкретно раздел «Теория фильтрации газов в подработанных угольных пластах спутниках». Целесообразно воспользоваться научными результатами Б. Г. Тарасова [1].
Суммарное поступление метана в выработанное пространство очистного участка включает газовыделение из подработанных и надрабо-танных горных пород, и смежных угольных пластов. В этом процессе
