CC BY
25
© H.H. Кузнецов, А.К. Пак, Ю.В. Федотова, 2015
УДК 622.831
Н.Н. Кузнецов, А.К. Пак, Ю.В. Федотова
ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРА ДЕФОРМИРОВАНИЯ И ЭНЕРГОЕМКОСТИ РАЗРУШЕНИЯ ОБРАЗЦОВ СКАЛЬНЫХ ПОРОД КОВДОРСКОГО МЕСТОРОЖДЕНИЯ
Представлены результаты деформационных испытаний образцов апатит-карбонатно-магнетиговой руды и кальцитового карбонатита Ковдорского месторождения. На основании полученных данных установлен характер деформирования исследуемых образцов при одноосном сжатии и определены их прочностные и деформационные свойства. Проведен анализ изменения значений удельной энергии деформирования образцов на каждом шаге их нагружения вплоть до разрушения. Установлена зависимость между значениями удельной энергии деформирования и величинами напряжений. Выявлен преимущественный механизм разрушения образцов исследуемых типов пород при одноосном сжатии.
Ключевые слова: деформация, энергоемкость, напряжение, физические свойства, одноосное сжатие, образец, массив горных пород
На состояние массива горных пород оказывает влияние большое число природных и техногенных факторов, которые могут действовать как самостоятельно, так и в комплексе. Анализ данных геомеханического мониторинга совместно с результатами лабораторных исследований и математического моделирования состояния массива пород позволяет не только отслеживать процессы его деформирования и разрушения, но и своевременно планировать проведение мероприятий, обеспечивающих безопасность ведения горных работ.
Для выполнения оценки состояния массива горных пород необходимо иметь информацию о физических свойствах пород, структурной нарушенности массива и его напряженном состоянии. Также не менее важной является информация об энергонасыщенном состоянии массива, зная которую, можно оценить степень удароопасности отрабатываемого месторождения. Для этой цели необходимо определить значения деформационных параметров и удельной энергии деформирования горных пород [3].
Для исследования процессов деформирования, протекающих в образцах при нагружении их одноосным сжатием в лаборатор-
Рис. 1. Наблюдательные станции №31 н №33 на юго-западном борте карьера рудника «Железный»
Рис. 2. Образцы АКМ рулы (а) и кар-бонатита (б), подготовленные для про-веления деформационных испытаний
формаций использовали фольговые тензорезисторы.
ных условиях, и энергоемкости разрушения образцов был отобран керн в процессе бурения скважин глубиной 50 м для наблюдательных станций методом разгрузки №31 и №33 на участке юго-западного борта карьера рудника «Железный» (рис. 1). Керн станции №31 был отобран с интервала 1234 м и представлен в основном апатит-карбонатно-магнетитовой (АКМ) рудой, со станции №33 — с интервала 12-38 м каль-цитовым карбонатитом. Интервалы отбора керна выбраны с целью определить характеристики массива без учета техногенной трещиноватости.
Методы проведения испытаний и оборудование
Из отобранного керна Ковдорского месторождения изготовлены образцы (рис. 2) в количестве 10 шт. (5 шт. АКМ руды и 5 шт. карбонатита) в соответствии с требованиями ГОСТа [1]. Испытания на одноосное сжатие были проведены на установке MTS 816 Rock Test System [5]. Для измерения де-тензометрическую станцию ИСД-3 и
Предварительно перед проведением деформационных испытаний были выполнены испытания на одноосное сжатие группы образцов АКМ руды и карбонатита. На основании полученных результатов определены значения их пределов прочности по формуле:
асж = 10КВР/Б, (1)
где КВ - безразмерный коэффициент формы (при испытании образцов принимали равным 1), Р - нагрузка на образец (кН), в -площадь поперечного сечения образцов (см2).
Деформационные испытания образцов выполнены по следующей схеме:
1) образцы нагружали до 30 % от значения предела прочности на сжатие (асж) с определенным шагом (10 кН для карбонатита и 20 кН для АКМ руды) и затем с таким же шагом разгружали;
2) на каждом шаге нагружения регистрировали значения сопротивления тензорезисторов и заносили их в таблицу;
3) после первого цикла нагрузки-разгрузки образцы нагружали повторно с тем же шагом до 30 % от асж, регистрируя при этом значения сопротивления тензорезисторов;
4) после достижения 30 % от асж образцы АКМ руды продолжили нагружать с шагом 30 кН вплоть до их разрушения.
Расчет критической и удельной энергии деформирования образцов в процессе их нагружения М) выполнен по формулам [4]:
М = а2сж/2Е, (2)
Wi = о2/2Е, (3)
где о; - напряжение в образце при 1-ом шаге нагружения (МПа), Е -модуль упругости (МПа).
Результаты и обсуждение
На основании полученных данных в ходе деформационных испытаний образцов АКМ руды и карбонатита были вычислены значения их относительных деформаций в соответствии с требованиями ГОСТа [2]. Результаты расчетов для образцов АКМ руды приведены на рис. 3 (см. Приложение, с. 453).
Из данных, приведенных на рис. 3, а, следует, что графики зависимости напряжение-деформация всех образцов АКМ руды располагаются близко друг к другу (в особенности кривые поперечной деформации). При этом незначительный размер образованных петель и низкие значения относительных деформаций
свидетельствуют о практически идеальном упругом характере деформирования исследуемых образцов и высоких значениях модуля упругости (рис. 3, а). Следовательно, данный тип пород способен накапливать в себе значительную энергию упругого деформирования (критическая величина энергии - 6,46Е+04 Дж/м3) и выдерживать высокие осевые нагрузки (в среднем 130 МПа).
По результатам второго цикла нагружения образцов АКМ руды (рис. 3, б) установлено, что критические относительные продольные деформации, приводящие к разрушению образцов, находятся в диапазоне от +0,00075 до +0,00090, а поперечные - от -0,00020 до -0,00030. Им соответствуют нагрузки свыше 110 МПа. Также установлено, что в ходе повторного нагружения увеличились значения модулей деформации образцов в среднем на 6 %, что может свидетельствовать об их упрочнении в результате закрытия микродефектов на первом цикле нагрузки-разгрузки.
Анализ зависимостей напряжение-деформация для образцов АКМ руды показал, что направление и расположение кривых, полученных на первом и втором цикле нагрузки, почти идентичны. Это, в свою очередь, еще раз подтверждает практически идеально упругий характер деформирования исследуемых образцов.
Также был проведен анализ изменения значений удельной энергии деформирования образцов АКМ руды на каждом шаге их нагружения вплоть до разрушения (рис. 4).
Для образцов карбонатита по результатам проведенных испытаний были установлены зависимости напряжение-деформация, представленные на рис. 5 (см. Приложение, с. 453).
Характерным для образцов карбонатита является увеличение разброса кривых зависимости напряжение-деформация (рис. 5а), что обуславливает большие значения коэффициентов вариации при определении деформационных свойств. При сопоставлении полученных результатов с теми, что были установлены для АКМ руды (рис. 3, а), можно отметить следующее: размер петель кривых оказался большим, а значения относительных деформаций -выше. Также средняя величина модуля упругости образцов карбонатита оказалась меньше в 2,5 раза величины образцов АКМ руды. Это свидетельствует о менее упругом характере их деформирования. Как следствие, образцы карбонатита будут разрушаться при меньшей величине энергии упругого деформирования по сравнению с образцами АКМ руды (критическая величина энергии - 5,92Е+04 Дж/м3).
Рис. 4. Характер изменения значений удельной энергии деформирования образцов АКМ руды в зависимости от приложенной к ним нагрузки
По результатам второго цикла нагру-жения образцов кар-бонатита (рис. 5б) установлено, что при значениях относительных продольных деформаций от 0,00070 до 0,00150 и поперечных от -0,00015 до -0,00030 в исследуемых образцах возникли процессы развития и образования трещин (за счет чего показания сопротивлений тензорезисторов становятся нестабильными). Им соответствуют нагрузки 30-35 МПа. Также установлено, что в ходе повторного нагружения увеличились значения модулей деформации образцов в среднем на 40 %, что может свидетельствовать об их значительном упрочнении в результате закрытия микродефектов на первом цикле нагрузки-разгрузки.
Анализ зависимостей напряжение-деформация для образцов карбонатита показал, что расположение кривых продольной деформации, полученных на первом и втором цикле нагрузки, не совпадает друг с другом (рис. 5). Расположение кривых поперечной деформации почти идентично, но наблюдается расхождение при нагрузках свыше 20 МПа. Следовательно, образцы карбонатита имеют менее упругий характер деформирования по сравнению с образцами АКМ руды.
Рис. 6. Характер изменения значений удельной энергии деформирования образцов кар-бонатита в зависимости от приложенной к ним нагрузки
Рис. 7. Изменение значений удельной энергии деформирования: 1 -
образцов АКМ руды, 2 -образцов карбонатита
На рис. 6 представлены результаты изменения удельной энергии деформирования образцов по мере увеличения нагрузок.
При сравнении графиков зависимости напряжение-удельная энергия деформирования (рис. 7), представленных на рис. 4 и 6, видно, что характер изменения значений удельной энергии деформирования разный. Для образцов АКМ руды график более протяженный и имеет больший угол наклона, чем график для образцов карбонатита. Проводя аналогию с механизмом разрушения образцов, в случае с АКМ рудой разрушение произошло в динамической форме с сильным разлетом осколков и взрывоподобным звуком, в результате которого сформировалась трещина отрыва (рис. 8, а). В случае же с карбонатитами — разрушение происходило постепенно с формированием конуса и образованием большого количества мелкой фракции породы (рис. 8, б). Следовательно, чем больше будет угол наклона и протяженность графика изменения значений удельной энергии деформирования при увеличении нагрузок, тем более склонна будет горная порода к динамическому разрушению.
Выводы
Характер деформирования пород в зависимости от их свойств, может приводить либо к быстрому высвобождению этой
энергии при упругом разрушении и образовании трещин отрыва, либо к пластичному разрушению и увеличению сдвиговых усилий.
Рис. 8. Образцы АКМ руды (а) и карбонатита (б) после разрушения одноосным сжатием
Для образцов АКМ руды и карбонатита Ковдорского месторождения было установлено, что характер их деформирования упругий. При этом для руды упругие свойства оказались выше, чем для карбонатита. В связи с этим данный тип пород способен накапливать в себе больше упругой энергии.
По результатам испытаний для исследуемых образцов скальных пород Ковдорского массива установлено, что с увеличением угла наклона и протяженности графика изменения значений удельной энергии деформирования по мере возрастания нагрузок горная порода будет более склонна к динамическому разрушению. При этом, чем выше будет нагрузка на образец, тем больше будет прирост упругой энергии в нем. Данный факт можно использовать при оценке энергонасыщенного состояния массива горных пород.
Авторы выражают свою благодарность М.И. Потокину за помощь в проведении лабораторных испытаний.
- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. ГОСТ 21153.0-75. Породы горные. Отбор проб и общие требования к методам физических испытаний = Rocks. Sampling and general requirements for the methods of physical testing. - Введ. С 01.07.1975 до 01.07.1986. - M.: Изд-во стандартов, 1975. - 3 с. (Стандарт на методы контроля). СССР.
2. ГОСТ 28985-91. Породы горные. Метод определения деформационных характеристик при одноосном сжатии = Rocks. Methods for determination of deformation characteristics under uniaxial compression. - Введ. С 01.07.1992. - M.: Изд-во стандартов, 1991. - 11 с. (Стандарт на методы контроля). СССР.
3. Кузнецов Н.Н., Федотова Ю.В. Оценка энергонасыщенного состояния иерархично-блочной среды (на примере Кукисвумчоррского и Юкспорского месторождений) // XVII Межрегиональная научно-практическая конференция. Часть 1: тезисы докладов, Кольский филиал Петрозаводского государственного университета. - Апатиты: Изд. КФ ПетрГУ, 2014. - С. 36-37.
4. Савченко С.Н. Энергетический аспект устойчивости горных пород // Деформационное разрушение материалов: сб. науч. тр. - Крым, Алушта, Симферополь, 2010. - С. 296-299.
5. Kozyrev A.A., Lodus E.V., Kuznetcov N.N. The study of rock properties of the Khibiny massif on shear and uniaxial compression // Proceedings of the 6th International Symposium on In-Situ Rock Stress. ISRM Specialized Conference, August 20-22, Sendai, Japan, 2013. - Sendai, 2013. - ISBN-978-4-907430-00-9. pp. 939-952. ВШ
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ
Кузнецов Николай Николаевич — младший научный сотрудник, [email protected], Пак Александр Климентьевич — научный сотрудник, [email protected], Федотова Юлия Викторовна — кандидат технических наук, старший научный сотрудник, [email protected].
Горный институт Кольского научного центра РАН.
UDC 622.831
STUDY OF STRAIN BEHAVIOR AND ENERGY INTENSITY FAILURE OF THE KOVDOR DEPOSIT HARD ROCK SAMPLES
Kuznetcov N.N., Junior Researcher, [email protected], Mining Institute of the Kola Science Centre of the Russian Academy of Sciences, Russia,
Pak A.K., Researcher, [email protected], Mining Institute of the Kola Science Centre of the Russian Academy of Sciences, Russia,
Fedotova Iu.V., Ph.D., Senior Researcher, [email protected], Mining Institute of the Kola Science Centre of the Russian Academy of Sciences, Russia.
The paper describes the results of strain tests of apatite-carbonate-magnetite ore and calcite carbonatite samples of the Kovdor deposit. On the basis of the results the strain behavior of tested samples under uniaxial compression has been established. Their strength and strain properties have been determined. The change of the sample's strain energy values on every loading step till completely failure has been analyzed. We also determined the influence between strain energy and stress values. The prevailing mechanism of studied rock samples failure under uniaxial compression has been established.
Key words: strain, energy intensity, stress, physical properties, uniaxial compression, sample, rock mass.
REFERENCES
1. Porody gornye. Otbor prob i obshhie trebovanija k metodam fizicheskih ispytanij GOST 21153.0-75 (Rocks. Sampling and general requirements for the methods of physical testing, State Standart 21153.0-75), Moscow, Standarty, 1975, 3 p.
2. Porody gornye. Metod opredeleniya deformacionnyh harakteristik pri odnoosnom szhatii GOST 28985-91 (Rocks. Methods for determination of deformation characteristics under uniaxial compression, State Standart 28985-91), Moscow, Standarty, 1991, 11 p.
3. Kuznetcov N.N., Fedotova lu. V. Otsenka energonasyshennogo sostoyaniya ierarhichno-blochnoi sredy (na primere Kukisvumchorrskogo i Uksporskogo mestorozhdenii) (Assessment of energy condition of hierarchical-block (case of Kukisvumchorr and Eksportnogo fields) // Apatity, KF PetrSU, 2014, pp. 26-27.
4. Savchenko S.N. Energeticheskii aspekt ustoichivosti gornyh porod // Deformatsionnoe razrushenie materialov (The energy aspect of sustainability rocks) // Krym, Alushta, Simferopol', 2010, pp. 296-299.
5. A.A. Kozyrev, E.V. Lodus, N.N. Kuznetcov The study of rock properties of the Khibiny massif on shear and uniaxial compression (The study of rock properties of the Khibiny massif on shear and uniaxial compression) // Proceedings of the 6th lnternational Symposium on ln-Situ Rock Stress. lSRM Specialized Conference, August 20-22, Sendai, Japan, 2013. Sendai, 2013. lSBN-978-4-907430-00-9. pp. 939-952.
