CC BY
9
УДК 622.735.095:622.73
В.Н. АМИНОВ1, д-р техн. наук, Е.Е. КАМЕНЕВА1, канд. техн. наук; И.Д. УСТИНОВ2, д-р хим. наук
1 Петрозаводский государственный университет (185910, г. Петрозаводск, ул. Ленина, 33)
2 НПК «Механобр-техника» (199106, Россия, г. Санкт-Петербург, Васильевский остров, 22-я линия, 3)
Инновационные разработки для повышения точности оценки физико-механических свойств строительных горных пород при геологической разведке
С целью определения принципиальной возможности использования горных пород для производства щебня в лабораторных условиях исследуют ряд их параметров в соответствии с нормативами. Полученные данные являются основой для проектирования технологии переработки и предварительной оценки возможных направлений использования конечной товарной продукции. Известно, что содержание зерен пластинчатой и игловатой формы в щебне является фактором, существенно снижающим его физико-механические характеристики. Щебень для испытаний получают из исходной керновой или штуфной геологической пробы путем одностадийного дробления в лабораторных щековых дробилках, особенностью которых является повышенное содержание зерен пластинчатой и игловатой формы в продукте дробления. На примере испытаний гранитного щебня одного из месторождений Карелии показано, что это приводит к заниженным значениям основных прочностных характеристик - прочности, истираемости и морозостойкости и существенно снижает достоверность прогнозной оценки качества щебня. НПК «Механобр-техника» предложена новая конструкция лабораторной щековой дробилки 2ЩДС 100x200, которая обеспечивает прием исходного питания крупностью до 100 мм и получение дробленого продукта крупностью 0-40 мм. Сложные возвратно-поступательные и эллиптические движения щек обеспечивают приложение к дробимому материалу усилий сдвига и сжатия и позволяют получать щебень с низкой долей зерен пластинчатой и игловатой формы, что соответствует содержанию таких зерен в щебне, получаемом в промышленных условиях. Это позволяет корректно сравнивать физические свойства промышленного щебня и щебня, получаемого в лабораторных условиях.
Ключевые слова: щебень, дробление, кубовидные зерна, зерна пластинчатой и игловатой формы, лабораторные испытания щебня, лабораторная щековая дробилка.
Для цитирования: Аминов В.Н., Каменева Е.Е., Устинов И.Д. Инновационные разработки для повышения точности оценки физико-механических свойств строительных горных пород при геологической разведке // Строительные материалы. 2017. № 5. С. 69-72.
V.N. AMINOV1, Doctor of Sciences (Engineering), E.E. KAMENEVA1, Candidate of Sciences (Engineering); I.D. USTINOV2, Doctor of Sciences (Chemistry)
1 Petrozavodsk State University, (33, Lenin Street, Petrozavodsk, 185910, Russian Federation)
2 Research and Engineering Corporation «Mekhanobr-Tekhnika» (22, Line 3, Vasilevsky Ostrov, 199106, Saint Petersburg, Russian Federation)
Innovative Developments for Improving the Accuracy of Assessment of Physical-Mechanical Properties of Construction Rocks at Geological Exploration
For determining the principal possibility to use rocks for production of crushed stone, some their parameters are studied under the laboratory conditions according to normatives. The data obtained are the basis for designing the processing technology and preliminary assessment of possible ways for using final marketable products in a particular type of construction. It is known that the content of grains of plate and needle-shaped forms is a factor which significantly reducing their physical-mechanical characteristics. Crushed stone for testmin is produced from an initial core or massive geological sample by means of one-stage crushing in the laboratory screw crushers, a feature of which is a high content of plate and needle-shaped grains in the product of crushing. On the example of tests of granite crushed stone from one of the Karelian deposits, it is shown that this leads to conservative values of main strength characteristics (durability, abradability and frost resistance) and significantly reduces the accuracy of predictive assessment of the crushed rock quality. "Mekhanobr-Tekhnika" Research and Engineering Corporation proposes a new design of the laboratory screw crusher 2SHCHDS 100x200 which provides the receiving of initial feeding of up to 100 mm fineness and obtaining of the crushed product of 0-40 mm fineness. Complex reciprocating and elliptical motions of a crushing jaw provides the application of shear and compression forces to the material being crushed and makes it possible to obtain the crushed stone with a low share of plate and needle-shaped grains that corresponds to the content of such grains in the crushed stone produced in the production conditions. This makes it possible to compare correctly physical properties of industrial crushed stone and crushed stone produced under the laboratory conditions.
Keywords: crushed stone, crushing, cubiform grains, plate and needle-shaped grains, laboratory tests of crushed stone, laboratory screw crusher.
For citation: Aminov V.N., Kameneva E.E., Ustinov I.D. Innovative Developments for Improving the Accuracy of Assessment of Physical-Mechanical Properties of Construction Rocks at Geological Exploration. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 2017. No. 5, pp. 69-72. (In Russian).
Технологические исследования минерального сырья — важная часть геологических работ, обеспечивающих инвестиционную и коммерческую оценку месторождений.
Приоритетной целью изучения физико-механических свойств строительных горных пород является определение принципиальной возможности их использования для производства щебня. Для этого определяют следующие параметры породы: предел прочности при сжатии в сухом и водонасыщенном состоянии, водопоглощение, пористость, минеральную и среднюю плотность, наличие слабых разностей, содержание вредных компонентов и примесей,
активность естественных радионуклидов. При соответствии этих показателей установленным требованиям проводятся испытания щебня фракции 10—20 мм, полученного при дроблении исходных горных пород в лабораторных условиях. Согласно ГОСТ 31436—2011 «Породы горные скальные для производства щебня для строительных работ. Технические условия и методы испытаний» контролируемые показатели — прочность, истираемость, морозостойкость, средняя и минеральная плотность, водопоглощение. Полученные данные являются основой для проектирования технологии переработки и предварительной оценки возможных направлений использования ко-
j t. ®
май 2017
69
Таблица 1
Характеристика лабораторных дробилок (НПК «Механобр-техника»)
Тип дробилки Модель Крупность питания, не более, мм Крупность дробленого продукта, мм Назначение
Щековая ДЩ 60x100 50 0-40 Для хрупких пород средней прочности
Щековая ДЩ 100x200 90 0-40 Для хрупких пород средней прочности
Конусная инерционная КИД-60 * 5 0-2 Для хрупких пород различной прочности
Конусная инерционная КИД-100 * 10 0-3 Для хрупких пород различной прочности
* КИД - конусная инерционная дробилка, зарегистрированный товарный знак.
Таблица 2
Сравнительные результаты испытаний щебня из гранита
Показатели Результаты лабораторных опытов* Результаты испытаний промышленно выпускаемого щебня
Содержание зерен пластинчатой и игловатой формы, % 47,2-54,7 6,9-13,6
Дробимость (потеря массы при сжатии в цилиндре), % 14,3-17,8 8,6-10,3
Истираемость (потеря массы при испытании в полочном барабане), % 20,1-22,3 15,5-18,2
Морозостойкость (потеря массы при испытании), % 3,2-4,1 1,8-2,1
* Фракции щебня получены при дроблении керновой пробы в лабораторной щековой дробилке ДЩ 60x100.
б
29
§ 27 = 6? рт 25
Ц 23 ¡5 £ Яй 21
" 19
17
О ^
10 20 30 40 50 60 70 Содержание зерен пластинчатой и игловатой формы, %
15
^ 1
♦ ____
./ У '
А
0 20 40 60 80 100 Содержание зерен пластинчатой и игловатой формы, %
20 30 40 50 60 70 8( Содержание зерен пластинчатой и игловатой формы, %
Рис. 1. Влияние содержания зерен пластинчатой и игловатой формы на дробимость (а), истираемость (б) и морозостойкость (в) щебня фракции 10-20 мм из разновидностей гранита 1-3: 1 - гнейсогранит; 2 - микролин-плагиоклазовый гранит; 3 - плагиогранит
а
в
0
нечной товарной продукции в том или ином виде строительства.
Согласно установленным требованиям, щебень для испытаний должен быть получен из исходной керновой или штуфной геологической пробы путем одностади-ального дробления и классификации по крупности (грохочения). Существующая методика предусматривает применение лабораторной дробилки, тип которой нормативными документами не рег-ламентируется.
Практика исследовательских лабораторий показывает, что для дробления геологических проб горных пород, как правило, применяют щековые дробилки ДЩ 60x100 или ДЩ 100x200, обеспечивающие прием исходного куска не крупнее 50—90 мм и получение продукта требуемой крупности для дальнейших испытаний. Применение конусных лабораторных дробилок исключается ввиду того, что они принимают сравнительно мелкий кусок, а крупность их дробленого продукта не превышает 2—3 мм (табл. 1).
Применение щековых дробилок, разрушающих материал преимущественно за счет усилий сжатия, приво-
дит к получению щебня с высоким содержанием пластинчатых и игловатых зерен, что особенно заметно при дроблении керновых проб. Многочисленными опытами установлено, что при дроблении керновых проб горных пород в лабораторной щековой дробилке ДЩ 60x100 в одну стадию содержание зерен пластинчатой и игловатой формы в пробах щебня достигает 55—65% для пород массивной текстуры и 60—80% для сланцеватых пород.
Форма зерен щебня определяется как текстурно-структурными особенностями исходного сырья, так и типом применяемого оборудования, количеством стадий дробления [1—3]. На дробильно-сортировочных предприятиях щековые дробилки применяются только на стадии крупного дробления. Готовый товарный щебень получают на стадиях среднего и мелкого дробления, при этом кубовидная форма зерен достигается за счет применения конусных и ударных дробилок, работающих в замкнутом цикле. Испытания промыш-ленно выпускаемого гранитного щебня фракций 5—10 мм и 10—20 мм показывают, что содержание зерен пла-
Рис. 2. Общий вид дробилки 2ЩДС 100X200
стинчатой и игловатой формы в них не превышает 13—15% при использовании в III стадии конусных дробилок и 6—10% — центробежно-ударных.
В то же время содержание зерен пластинчатой и игловатой формы в щебне является фактором, существенно снижающим его физико-механические характеристики для дальнейшего использования [4].
Лабораторными опытами на искусственно сформированных фракциях щебня из гранита установлено, что при увеличении содержания зерен пластинчатой и игловатой формы отмечается рост дробимости (снижение прочности) и истираемости (рис. 1, а, б), а также снижение морозостойкости щебня (рис. 1, в).
Таким образом, высокое содержание зерен пластинчатой и игловатой формы в щебне, полученном в лабораторных условиях с применением традиционных щековых дробилок, приводит к заниженным значениям основных прочностных характеристик — прочности, истираемости и морозостойкости, что существенно снижает достоверность прогнозной оценки качества щебня.
В табл. 2 приведены сравнительные результаты испытаний гранитного щебня одного из месторождений Карелии, выполненные в сопоставимых условиях. Видно, что промышленно выпускаемый щебень (содержание зерен пластинчатой и игловатой формы 6,9—13,6%) характеризуется более высокими прочностными характеристиками по сравнению со щебнем, полученным в лабораторных условиях при испытании на стадии геологической разведки (содержание зерен пластинчатой и игловатой формы 47,2-54,7%).
Противоречие между фракционным составом щебня, полученного в традиционных лабораторных щековых дробилках, и фракционным составом промышленного щебня может быть устранено при использовании новой лабораторной щековой дробилки 2ЩДС 100x200, разработанной в НПК «Механобр-техника» (рис. 2). Усовершенствованная конструкция дробилки 2ШДС 100x200 обеспечивает прием
Рис. 4. Внешний вид щебня фракции 10-20 мм из габбро-диабаза, полученного с использованием дробилок ДЩ 100X200 (а) и 2ЩДС 100X200 (б)
Таблица 3
Содержание зерен пластинчатой и игловатой формы в щебне фракции 10-20 мм
Дробилка Содержание зерен пластинчатой и игловатой формы зерен, %
Щебень из пробы гранита Щебень из пробы габбро-диабаза Щебень из пробы гнейса
ДЩ 100X200 58,4 61,4 73,3
2ЩДС 100X200 12,7 13,5 19,7
исходного питания крупностью до 100 мм и получение дробленого продукта крупностью 0-40 мм.
Рабочими органами дробилки являются две кинематически связанные синхронно работающие щеки, совершающие сложные возвратно-поступательные и эллиптические движения. Такой характер движения щек обеспечивает приложение к дробимому материалу усилий сдвига и сжатия и позволяет получать щебень с низкой долей зерен пластинчатой и игловатой формы. При использовании этой машины также может быть достигнута высокая степень сокращения крупности материала в процессе дробления.
В табл. 3 приведены результаты сравнительных опытов по оценке формы зерен щебня фракции 10-20 мм, полученного при дроблении керновых
j J . ®
май 2017
71
проб горных пород в лабораторных дробилках ДЩ 100x200 и 2ЩДС 100x200.
Анализ полученных данных показывает, что применение лабораторной щековой дробилки 2ТТТДС 100x200 обеспечивает получение щебня, содержащего не более 12,7—19,7% зерен пластинчатой и игловатой формы (рис. 4), что практически соответствует содержанию таких зерен в щебне, полученном в промышленных условиях.
Список литературы
1. Вайсберг Л.А., Каменева Е.Е., Аминов В.Н. Оценка технологических возможностей управления качеством щебня при дезинтеграции строительных горных пород // Строительные материалы. 2013. № 11. С. 30-34.
2. Вайсберг Л.А., Зарогатский Л.П. Новое оборудование для дробления и измельчения материалов // Горный журнал. 2000. № 3. С. 49-52.
3. Вайсберг Л.А., Зарогатский Л.П. Новое поколение щековых и конусных дробилок // Строительные и дорожные машины. 2000. № 7. С. 16-21.
4. Арсентьев В.А., Вайсберг Л.А., Зарогатский Л.П., Шулояков А.Д. Производство кубовидного щебня и строительного песка с использованием вибрационных дробилок. СПб.: Издательство ВСЕГЕИ, 2004. 112 с.
Таким образом, применение лабораторной щековой дробилки 2ЩДС 100*200 обеспечивает получение дробленого продукта преимущественно кубовидной формы, что позволяет корректно сравнивать физические свойства промышленного щебня и щебня, получаемого в лабораторных условиях. Указанная дробилка может быть рекомендована для дробления проб строительных горных пород в испытательных лабораториях.
References
1. Vaysberg L.A., Kameneva E.E., Aminov V.N. Assessment of Technological Capabilities of Control over Crushed Stone Quality in the Course of Disintegration of Building Rocks. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 2013. No. 11, pp. 30-34. (In Russian).
2. Vaysberg L.A., Zarogatskiy L.P. New equipment for crushing and grinding materials Gornyi zhurnal. 2000. No. 3, pp. 49-52. (In Russian).
3. Vaysberg L.A., Zarogatskiy L.P. New generation of jaw and cone crushers. Stroitel'nye i dorozhnye mashiny. 2000. No. 7, pp. 16-21. (In Russian).
4. Arsent'ev V.A., Vaysberg L.A., Zarogatskiy L.P., Shuloyakov A.D. Proizvodstvo kubovidnogo shchebnya i stroitel'nogo peska s ispol'zovaniem vibratsionnykh drobilok [Production of cube-shaped crushed stone and building sand using vibrating crushers]. Saint-Petersburg: VSEGEI Publishing. 2004. 112 p.
Опечатка.
В журнале «Строительные материалы»® № 4-2017, стр. 44 в табл. 2, 3 название колонки «Кристобалит» следует читать «Кристаллическая фаза».
