Характер влияния формы частиц заполнителя на прочность льдопородной закладки Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

© Д.Н. Петров, А.Н. Петров, 2013

УДК 622.273.2(001)

Д.Н. Петров, А.Н. Петров

ХАРАКТЕР ВЛИЯНИЯ ФОРМЫ ЧАСТИЦ ЗАПОЛНИТЕЛЯ НА ПРОЧНОСТЬ ЛЬДОПОРОДНОЙ ЗАКЛАДКИ

Выявлен характер влияния формы частиц заполнителя на прочностные характеристики промораживаемых водопородных смесей. Определено содержание частиц различной формы в отбитых горных породах рудника Бадран, применяемых в качестве заполнителя лъдопородной закладки. Приведены результаты испытаний льдопородных образцов с различным содержанием частиц пластинчатой (лешад-ной) и игловатой форм на прочность на сжатие. Установлено, что предел прочности льдопородного материала на одноосное сжатие при увеличении содержания частиц пластинчатой (лешадной) и игловатой форм в наполнителе с 15% до 30% снижается в 1,5 раза.

Ключевые слова: льдопородная закладка, форма частиц, предел прочности на одноосное сжатие.

Основным требованием, предъявляемым к закладочным материалам, является возможность создания устойчивого и плотного массива с минимальной усадкой.

Льдопородная закладка представляют собой двухкомпонентную среду, состоящую из дробленых пород определенной крупности и замерзшей воды, которая играет роль цементирующего материала [1]. При этом важное значение имеет плотность укладки кусков дробленой породы. От данной характеристики зависят плотность, пористость и характер распределения замерзшей воды, что в конечном итоге влияет на прочностные свойства закладочного массива [2].

Основным компонентом льдопо-родной закладки являются дробленые горные породы, форма частиц которых близка к щебню, используемому например, при создании твердеющей закладки с цементным связующим.

При формировании твердеющих закладочных массивов к их составу предъявляются требования, аналогичные требованиям, предъявляемым к бетонным смесям.

Как известно, форма частиц заполнителя играет важную роль при формировании бетонных смесей [3]. Смесь зерен щебня кубовидной формы дает наиболее плотную упаковку. Наличие в щебне зерен пластинчатой и игловатой форм приводит к увеличению межзерновой пус-тотности в смеси. Кроме того, кубовидные зерна обладают большей прочностью, чем зерна пластинчатой и игловатой форм (табл. 1).

На начальном этапе исследований было проведено определение содержания частиц пластинчатой и игольчатой форм дробленой породы двух литотипов (песчаник и милони-тизированный алевролит), используемых в качестве заполнителя закладки на руднике Бадран, где успешно применяется камерно-

Таблица 1

Сравнительные физико-механические свойства щебня различной лещадности

Свойства Щебень лешадный Щебень кубовидный

Содержание зерен лещадной и игловидной формы, % 89 0

Предел прочности при сжатии в водонасыщенном состоянии (в цилиндре), МПа 40-60 120

Дробимость при сжатии в цилиндре, % 15-22 2-5

Показатель сопротивления щебня удару на копре ПМ 41-152 120-370

Износ в полочном барабане, % 18-29 15-20

целиковая система разработки с льдопородной закладкой. Методом визуальной разборки определялись формы кусков взорванной горной породы в проходческих забоях, применяемой в качестве заполнителя льдопородной закладки. Результаты исследования показали, что содержание кусков пластинчатой и игловатой форм в отбитой горной массе колеблется в пределах от 40 до 62 %.

Наблюдения за процессом формирования целиков и сравнение результатов с ранее полученными данными позволили установить, что применение милонитов в качестве заполнителя льдопородной закладки позволяет формировать более монолитный льдопородный целик. При применении песчаника в качестве заполнителя возрастает количество пустот, в результате чего увеличивается расход воды, возрастает время промораживания целика, формируется нечеткий контакт с рудными целиками и кровлей камеры.

Это связано в первую очередь с физико-механическими характеристиками основных литотипов вмещающих пород месторождения. Менее крепкие милониты (/ = 2-2,5) в

процессе транспортировки, размещения дробятся и измельчаются. Затем под воздействием воды, подаваемой в закладываемую камеру и планировки скреперным ковшом происходит заполнение пустот между крупной фракцией раствором мелких пылеватых частиц и воды. Песчаники, обладающие намного большей прочностью (/ = 8-10) не измельчаются в процессе транспортировки и закладочных работ, сохраняя форму и размеры частиц.

Полученные данные были использованы при физическом моделировании влияния формы частиц породного материала пластинчатой (лещадной) и игловатой форм на предел прочности образцов льдопо-родного материала на одноосное сжатие.

Определение влияния формы частиц на прочность льдопородной закладки проводилось испытанием образцов с различным содержанием частиц пластинчатой (лещадной) и игловатой форм на прочность на сжатие.

Из дробленых горных пород (алевролит), служащих наполнителем льдопородной закладки, методом рассева на ситах соответствующего

Таблица 2

Результаты определения формы частиц заполнителя

№ пробы Вес общий, г Вес зерен кубической формы, г Вес зерен пластинчатой (ле-щадной) и игловатой форм, г. Содержание зерен пластинчатой (лещад-ной) и игловатой форм, %

1 1592 1340 295 18

2 1599 1215 295 18

3 1590 1255 335 21

4 1595 1356 239 15

5 1595 1310 285 18

6 1585 1295 290 18

7 1595 1115 225 30

8 1595 1370 210 13

9 1590 1200 390 24

диаметра отбирался необходимый для формирования образцов объем. Гранулометрические размеры фракций дробленой породы, использовавшиеся при изготовлении образцов, составили 5 - 10 мм

Далее производилось определение содержания зерен пластинчатой (лещадной) и игловатой форм методом визуальной разборки [4]. Содержание зерен пластинчатой (ле-щадной) и игловатой форм оценивалось количеством зерен, толщина которых менее длины в три и более раза.

Соотношение размеров зерен определяли при помощи штангенциркуля. Частицу дробленой породы вкладывали наибольшим размером между губками, положение шаблона фиксировали стопорным шитом и измеряли размер зерна. Затем частицу пропускали наименьшим размером между губками штангенциркуля, установленными на расстоянии в три раза меньшем.

Среднее содержание частиц пластинчатой (лещадной) и игловатой форм в пробах составило 20 %.

Для определения влияния содержания зерен пластинчатой (лещадной) и игловатой форм на прочность льдо-

породной закладки формировались серии образцов с различным содержанием частиц.

Изготовление образцов производилось следующим образом. Охлажденная порода засыпалась в металлические разборные формы размерами 100x100x100 мм (выполнение масштаба подобия). Каждый слой равномерно орошался водой, охлажденной до температуры +4 + +50 °С (40 мл на слой). Затем формы помещались в морозильную камеру с температурой минус 20 °С до полного промораживания слоя. После смерзания слоя операция повторялась до полного заполнения формы. Заполненные формы выстаивались в морозильной камере в течение суток.

Испытания льдопородных образцов на одноосное сжатие проводились на прессе универсальной испытательной машины иТБ-250 со стандартным блоком измерения и управления (компьютерное оснащение), укомплектованной холодильной установкой ЫОБКЕ-КДЕБЕН, при скорости нагружения образца 2 мм/мин до разрушения, после которого машина выдавала результаты в графо-цифровом виде.

Таблица 3

Результаты определения предела прочности на сжатие образцов льдопородной закладки с различным содержанием частиц пластинчатой (лещадной) и игловатой форм

№№ образцов Размеры, мм Содержание частиц пла- Предел прочности

стинчатой (лешадной) на сжатие, МПа

и игловатой форм, %

Серия №1

1. 100x100x100 10 1,57

2. 100x100x100 10 1,39

3. 100x100x100 10 0,97

4. 100x100x100 10 1,14

5. 100x100x100 10 1,08

6. 100x100x100 10 0,95

Среднее значение предела прочности на сжатие 1,18 МПа

Серия №2

1. 100x100x100 20 1,53

2. 100x100x100 20 1,06

3. 100x100x100 20 1,12

4. 100x100x100 20 0,83

5. 100x100x100 20 1,35

6. 100x100x100 20 0,86

Среднее значение предела прочности на сжатие 1,13 МПа

Серия №3

1. 100x100x100 30 1,03

2. 100x100x100 30 0,91

3. 100x100x100 30 0,93

4. 100x100x100 30 0,86

5. 100x100x100 30 0,91

6. 100x100x100 30 0,83

Среднее значение предела прочности на сжатие 0,91 МПа

Серия №4

1. 100x100x100 40 0,84

2. 100x100x100 40 0,69

3. 100x100x100 40 0,97

4. 100x100x100 40 0,59

5. 100x100x100 40 0,72

6. 100x100x100 40 0,78

Среднее значение предела прочности на сжатие 0,76 МПа

Результаты экспериментов показали (табл. 3), что предел прочности образцов льдопородного материала на одноосное сжатие при увеличении содержания частиц пластинчатой и

игловатой форм в наполнителе с 10 % до 40 % снижается в 1,5 раза (с 1,18 МПа до 0,76).

Снижение предела прочности льдопородного материала можно

объяснить тем, что наличие большего количества частиц пластинчатой и игловатой форм приводит к увеличению пустотности, что вызывает снижение площади контактов между кусками промораживаемого породного материала. Кроме того, частицы пластинчатой и игловатой форм обладают меньшей прочностью, чем материал кубовидной формы.

Установленная зависимость имеет важное прикладное значение для оптимизации технологических параметров систем разработки рудных место-

рождений области криолитозоны с использованием льдопородной закладки. Как известно, однократное применение дробилок позволяет снизить содержание частиц лещадной и игольчатой форм в дробленых горных породах в 2 и более раза [5]. При формировании льдопородных целиков необходимо минимизировать содержание частиц породы пластинчатой и игольчатой форм. Добиться этого можно, включив в закладочный комплекс бункер-питатель, грохот, дробилку.

1. Кузьмин Е.В. Основы горного дела : учебник / Е. В. Кузьмин, М. М. Хайрутди-нов, Д. К. Зенько. - М. : АртПРИНТ, 2007

- 472с

2. Необутов Г.П. Подземная добыча руды с использованием льдопородной закладки на месторождении Бадран в Якутии / Г.П. Необутов, В.П. Зубков, А.Ф. Мамонов // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2001. - №10. - С. 71-74.

3. Вайсберг Л.А. Технологии производства высококачественного щебня [Электронный ресурс]/Информ. - строит. портал «Стройка»: С-Петербург, 2005. Режим доступа:

- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

http://librarv.stroit.ru/articles/techsh/.(flaTa обращения 30.03. 2012).

4. ГОСТ 8269.0-97. Щебень и гравий из плотных горных пород и отходов промышленного производства для строительных работ. Методы физико-механических испытаний.

5. Перелыгин В. Получение кубовидного щебня на отечественном оборудовании [Электронный ресурс]/В. Перелыгин //«Основные средства» - 2007. - №12. Режим доступа: http://www.os1.ru/article/ mining/ 2007 12 A 2008 04 30-18 38

36/(дата обращения 19.04.2012). ИШ

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -

Петров Дмитрий Николаевич - младший научный сотрудник; [email protected] Институт горного дела Севера им. Н.В.Черского Сибирского отделения Российской академии наук.

Петров Андрей Николаевич - заведующий кафедрой, [email protected] Северо-Восточный федеральный университет.

А