CC BY
40
© М.Д. Новопашин, А.С. Курилко, 2007
УДК 551.34:622.3
М.Д. Новопашин, А. С. Курилко
ИССЛЕДОВАНИЕ ОСОБЕННОСТЕЙ ДЕФОРМИРОВАНИЯ И РАЗРУШЕНИЯ ГЕОМАТЕРИАЛОВ В УСЛОВИЯХ НЕОДНОРОДНЫХ ТЕМПЕРАТУРНЫХ И СИЛОВЫХ ПОЛЕЙ И ИХПРИЛОЖЕНИЕ В ГЕО ТЕХНОЛОГИЯХ
~П настоящее время значительная часть месторождений полезных ископаемых, расположенных на Северо-Востоке России не разрабатывается. В частности, в условиях Якутии доля активных запасов составляет по золоту 30 %, олову - 20 %, 10 % -по углю Ленского бассейна, 0 % - по железной руде, вольфраму и т.д. В условиях Севера, с его неразвитой инфраструктурой и суровыми природно-климатическими условиями традиционные технологии добычи и обогащения полезных ископаемых могут обеспечить конкурентоспособность только на уникальных месторождениях.
Ситуация может быть в значительной степени изменена, если будут разработаны современные технологии, позволяющие вести разработку месторождений с высокой степенью рентабельности. Это станет возможным только тогда, когда мы будем достаточно глубоко понимать закономерности поведения геоматериалов в условиях криолитозоны. Добиться этого невозможно без глубокого изучения изменения физико-механи-ческих свойств материалов при воздействии различных факторов: механического воздействия, воздействия температуры, влаги и т.д.
В нашем институте в течение ряда лет проводятся систематические исследования влияния знакопеременного температурного воздействия на прочностные и массообменные свойства горных пород [1-3].
Проведены исследования влияния циклов замораживания-оттаивания на массообменные характеристик дисперсных пород различного гранулометрического состава - от песка до глины. Коэффициенты фильтрации в породах меняются от
0 20 40 60 80 100
содержание глины, %
Wр; без промораживания Wт; без промораживания —а— Wр; после циклов промораживания-оттаивания —Wт; после циклов промораживания-оттаивания
Рис. 1. Влияние воздействия циклов замораживания - оттаивания на коэффициенты фильтрации
610-5 м/с в песке до 110-9 м/с в глине и смесях содержащих больше 60 % глины.
При замерзании глинистых дисперсных материалов в результате миграции влаги в них образуется так называемая криогенная текстура, характеризующаяся наличием прожилок чистого льда в промороженном материале. После оттаивания породы вода проходит через поры образовавшейся посткриогенной текстуры. Воздействие циклов замораживания-оттаивания приводило к тому, что коэффициенты фильтрации в исследованных породах возрастали до 10-6 м/с, т.е. на 2 порядка, а коэффициенты диффузии воды увеличивались на два-три порядка [1].
На рис. 1 показаны закономерности изменения коэффициента фильтрации в зависимости от содержания глинистой фракции в песчано-глинистых смесях различного состава. Две нижние линии графика показывают зависимости коэффициента фильтрации от содержания глинистой составляющей смеси при плотностях, соответствующих нижнему и верхнему пределам пластичности дис-
персного материала. Две верхние линии показывают величину коэффициента фильтрации песчано-глинистых смесей, подвергнутых циклам замораживания-оттаи-вания при влажностях, близких к верхнему и нижнему пределам пластичности.
Предложена технология криогенной подготовки глинистых руд к кучному выщелачиванию, базирующаяся на увеличении скорости фильтрации растворов через глину подвергшуюся замораживанию-оттаиванию, что позволяет на порядок увеличить высоту слоя отсыпки. С другой стороны при использовании глины в про-тивофильтрационных завесах различных инженерных сооружений (например: плотин, водозащитных валов, устьевых частей наклонных и вертикальных стволов и пр.) должны учитывать эту способность увеличивать проницаемость и не допускать замораживания-оттаивания материала.
Эксперименты по изучению водопрочности показали, что исследованные нами глины и суглинки в пластичном состоянии не размокают. Супеси размокают, причем скорость размокания возрастает при уменьшении содержания глины и влажности. Мерзлые образцы всех пород распадались при погружении в воду в течение нескольких минут. Скорость размокания близка к скорости оттаивания пород. Водопрочность глин и суглинков в талом состоянии после воздействия на них циклов замораживания-оттаивания резко снижается, и они переходят из класса неразмокаемых в класс раз-мокаемых пород [1].
Предложена технология криогенной подготовки глинистых труднопромывистых песков. Улучшение промывистости высокоглинистых песков достигается за счет их зимней послойной промо-розки, складирования мерзлых песков в виде конусного отвала возле промприбора и промывки в летний период.
Известно, что основная масса горных пород с понижением температуры ниже 273К увеличивают свою прочность [4-6]. Вместе с тем экспериментально установлено, что прочность отдельных разновидностей горных пород при понижении температуры снижается [2, 3]. Экспериментальные исследования изменения прочности скальных пород при воздействии отрицательной температуры проводили на образцах вмещающей породы (рис. 2) и кимберлита (рис. 3) трубки «Удачная».
Образцы правильной кубической формы 30х30х30 мм были испытаны на прочность при одноосном сжатии. Испытания
л
н
о
о
х
&
о
а
с
!§
х
л
ч
<Ц
н
К
о
о
X
н
О
Температура, К
Рис. 2. Относительная прочность горных пород в зависимости от температуры: 1 - глинистый доломит; 2 - глинистый известняк; 3 - битумизированый глинистый известняк; 4 - доломит мергелистый; 5 - битумизированый известняк
проводили при температурах 293, 268, 253 и 223К. Образцы помещали в морозильную камеру и в течение 5 часов выдерживали при одной из заданных температур. Затем образцы, испытывали на прочность на машине Ц^-250 (Германия). В каждой серии было испытано не менее пяти образцов.
На рис. 2 и 3 показано изменение относительной прочности образцов породы о(Т)/о(293) в зависимости от температуры. Где о(293) - усредненная прочность образцов по результатам испытаний на сжатие при температуре равной 293К, и о(Т) - усредненная прочность образцов при температуре испытаний.
Результаты экспериментов (рис. 2) показывают, что при понижении температуры от комнатной до 268-257К происходит потеря прочности вмещающей породы на 30-70 %, в среднем на 50 %. При дальнейшем снижении температуры прочность горных пород возрастает и достигает значений, которые имели породы при комнатной температуре.
Из графика на рис. 3 отчетливо видно, что прочность кимберлита в водонасыщенном состоянии ниже прочности
Температура, К
Рис. 3. Зависимость прочности кимберлита от температуры
кимберлитов в воздушно-сухом состоянии на 25-50%, то есть простое насыщение водой приводит к снижению прочности исследуемого материала.
При понижении температуры в зоне фазовых переходов происходит существенное снижение прочности кимберлита. При дальнейшем понижении температуры прочность кимберлита повышается. Такое изменение прочности породы в зависимости от температуры объясняется тем, что при понижении температуры происходят различные физические и термохимические превращения. Например, изменение агрегатного состояния одного из компонентов горной породы - воды. Кроме того, при изменении температуры в горных породах возникают термонапряжения обусловленные различиями в упругих свойствах и коэффициентах теплового расширения отдельных минеральных зерен [6].
При переходе свободной воды в лед происходит увеличение объема на 9%, за счет чего возникает расклинивающее напряжение. Внутренние напряжения возрастают в процессе интенсивного замерзания поровой влаги. С прекращением роста кристаллов льда рост внутренних напряжений прекращается. При дальнейшем понижении температуры поровый лед цементирует и упрочняет по-
роду. С этим связано увеличение прочности породы после того, как температура становится ниже температур интенсивных фазовых переходов [2].
Таким образом, в результате проведенных экспериментов установлено, что при температуре соответствующей зоне интенсивных фазовых переходов происходит резкое снижение прочности исследованных карбонатных пород и кимберлитов и только затем начинается увеличение прочности, причем даже при температуре 223К (-50 0С) кимберлит не достигает исходной прочности.
Поскольку прочность карбонатных пород и кимберлитов при отрицательных температурах ниже чем при положительных, то достаточно очевидно, что машины, которые используются при отработке месторождений при положительных температурах, будут способны разрушать горную породу и при отрицательных температурах. Более того, в некоторых случаях, целесообразно проводить работы при отрицательных температурах, поскольку это позволит существенно снизить энергоемкость процесса разрушения.
Столь значительные внутренние напряжения при изменении температуры должны приводить к быстрому накоплению повреждений в породе при циклических температурных воздействиях. Были проведены исследования влияния циклов замораживания-оттаивания на прочностные свойства горных пород. У образцов замерзавших в водной среде прочность снижалась вплоть до полного саморазрушения (рис. 4) [1].
Исследования показали, что прочность образцов пород падает с увеличением числа циклов. Степень ослабления прочности зависит как от типа породы, пористости, прочности, так и от степени водонасыщения образцов.
Эффект снижения прочности необходимо учитывать при ведении горных работ, в частности, если исключить суточные циклы замораживания-оттаивания, а в отдельных районах Якутии их количество в течение года может достигать 100 и более, то устойчивость горных выработок может быть существенно повышена. В настоящее время в компании АК АЛРОСА на руднике «Айхал» используется разработанная в институте технология крепления подземных горных выработок с применением набрызгбетонных покрытий. Слой набрызгбетона толщиной 0,05-0,1 м позволил исключить суточные циклы замораживания-
Циклы
-Ф-Ш1 -»-Ш 2 -*-Ш 3 -*-Ш 4 -*-Ш 5 -*-ср
Рис. 4. Изменение относительной прочности образцов карбонатных горных пород после воздействия циклов замораживания-оттаивания.
Обозначения как на рис. 2
оттаивания породы, что замедлило их выветривание и повысило устойчивость горных выработок. Опытно-промышленная эксплуатация показала высокую эффективность разработанной технологии.
Исследования изменения прочностных свойств кимберлитов при циклическом знакопеременном температурном воздействии проводилось на образцах из трех кимберлитовых трубок "Удачная-Восточная", "Юбилейная", "Интернациональная".
Анализ, проведенный по совокупным результатам воздействия циклов замораживания-оттаивания на образцы кимберлитов 3 трубок, показал явное влияние на морозостойкость кимберлита его пористости. На рис. 5 приведена гистограмма доли разрушившихся после пяти циклов замораживания-оттаивания образцов кимберлитов в зависимости от их начальной открытой пористости.
Оставшиеся целыми или частично разрушенные образцы после воздействия пяти циклов замораживания-оттаивания были испытаны на прочность при сжатии. На рис. 6 показана остаточная относительная прочность образцов после воздействия
ш 100
о
Пористость, %.
□ Разрушевшиеся образцы
□ Доля образцов с данной начальной пористостью
о
О
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
0--3
3--6
6-9
9--15
Пористость, %.
□ Остаточная прочность
□ Доля образцов с данной начачально пористостью
Рис. 6. Остаточная прочность образцов кимберлитов после пяти циклов замораживания-оттаивания в зависимости от пористости
Начальная прочность, МПа.
□ Остаточная прочность
□ Доля оброзцов с данной начальной прочностью
5 циклов замораживания-оттаивания для кимберлитов с различной пористостью. При подсчете средней остаточной относительной прочности учитывали все образцы данного класса, принимая, что полностью разрушенные образцы обладают нулевой прочностью.
Дезинтеграция зависит от открытой пористости кимберлитов и тем выше, чем больше пористость. Не наблюдалось дезинтеграции в образцах с пористостью меньше 3 %, содержание которых в исследованных кимберлитах меньше 20 %. В кимберлитах с пористостью более 9 % дезинтеграция наблюдалась у 74 % образцов.
Влияние начальной прочности на остаточную прочность кимберлитов после воздействия циклов замораживания-оттаивания показано на рис. 7. По оси абсцисс отложены значения начальной прочности кимберлитов, по оси ординат - прочность образцов после воздействия циклов замораживания-оттаивания.
Из рисунка видно, что остаточная прочность кимберлитов возрастает с увеличением начальной прочности. Для образцов с начальной прочностью меньше 35 МПа воздействие циклов приводит к полной потере прочности и дезинтеграции кимберлита. Причем следует отметить, что половина образцов кимберлитов с начальной прочностью выше 35 МПа имела остаточную прочность менее 20 %.
Полученные в работе результаты носят предварительный характер и будут при дальнейших исследованиях уточняться, тем не менее, они показали, что при циклическом замораживании-оттаивании происходит самопроизвольная дезинтеграция кимбер-литовой руды. Установленные закономерности при соответствующем развитии могут явиться основой для разработки новых кристаллосберегающих технологий.
Результаты проведенных лабораторных исследований и промышленных экспериментов показывают, что, зная закономерности изменения физико-механических свойств горных пород криолито-зоны при знакопеременном температурном воздействии, можно управлять ими с целью обеспечения устойчивости горных выработок и инженерных сооружений, совершенствования технологий разработки месторождений и обогащения полезных ископаемых криолитозоны.
-------------------------------------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Курилко А. Экспериментальные исследования влияния циклов замораживания-оттаивания на физико-механические свойства горных пород. - Якутск: ЯФ ГУ «Изд-во СО РАН», 2004. - 153 с.
2. Курилко А., Новопашин М. Исследование влияния температуры на прочность горных пород //Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. - 2005. - № 2. - С. 32-36.
3. Курилко А. Исследование морозостойкости кимберлитов //Наука и образование. - 2005. - № 1. - С. 61-69.
4. Цитович Н. Механика мерзлых грунтов. - М.: Высш. школа, 1973. - 446
с.
5. Ржевская С. Прочность горных пород. Горная энциклопедия в пяти томах. Т.4. - М.: Изд-во "Советская энциклопедия", 1989. - 270 с.
6. Бурштейн Л., Курочкин А. Исследование физико-механических свойств мерзлых коренных пород. Тепловые и механические процессы при разработке полезных ископаемых. -М.: Наука, 1965. - С. 98-106. шгЛ
— Коротко об авторах -------------------------------------------------
Новопашин М.Д. - доктор технических наук, член корреспондент РАН, директор,
Курилко А.С. - доктор технических наук, заведующий лабораторией, Институт горного дела Севера им. Н.В. Черского СО РАН.
