CC BY
75
УДК 622.02, 622.275 С.М. Никитин
МЕХАНИЗМЫ КОНСОЛИДАЦИИ ДРОБЛЕНОЙ ГОРНОЙ ПОРОДЫ В УСЛОВИЯХ ОБЪЕМНОГО СЖАТИЯ
Рассмотрены процессы дробления, массопереноса и наложенного структурообразова-ния гранулированной медно-колчеданной руды в образцах, консолидированных давлением. Рассмотрены условия взаимодействия гранул при сжатии и формы модификации рельефа контактных поверхностей включений, типа зерен, рудных прожилков, берегов трещин и поровых каналов.
Ключевые слова: абразивность горных пород, медноколчеданные руды, дробление.
Семинар № 4
ЖЭопросы контактного взаимодей-
А/ствия между частицами в гранулированных средах, в связи с трансформацией их структуры при сжатии детально рассматриваются в геомеханике при определении физико-механических свойств грунтов и в трибологии в связи с решением задач поверхностного изнашивания инструмента при резании или бурении скважин. В горном деле способность горной породы изнашивать буровой инструмент или футеровку мельниц в процессах дробления и измельчения руд оценивается специальным показателем абразивности — технической характеристикой, требующей своего экспериментального определения на стадии выбора или конструирования нового оборудования [1]. Оптимизация наиболее энергоемких процессов с учетом износа оборудования является в настоящем залогом успешной работы любого горно-добывающего предприятия.
Известные способы определения абразивности горных пород довольно энергоемки и выполняются в основном в стационарных или лабораторных условиях, требуя попутного решения вопросов технологического опробования рудничных полей и оценки представительности проб. Для получения оперативной и достоверной информации в процессе
технологического передела, необходимой для коррекции режимов работы оборудования, опробование должно носить массовый характер, а способы оценки технологических, в том числе и абразивных, свойств руд и пород обладать необходимой оперативностью. И в этом смысле весьма актуален переход на оперативное картирование месторождений по технологическим показателям с помощью геофизических методов. Последние, имея косвенный характер и опираясь на известные физические законы, требуют детального знания процессов разрушения при контактном нагружении и физических явлений их сопровождающих.
Анализ процессов контактного взаимодействия трущихся тел позволяет связать абразивные свойства горных пород с механизмами трения и адгезионного изнашивания, которым сопровождается взаимодействие контртел при больших нагрузках в условиях высоких температур. И для сталей и сплавов эти процессы довольно детально проработаны, чего не скажешь о горных породах.
Обладая существенно неоднородным минеральным составом, в процессе контактных взаимодействий эти естественные материалы при низких температу-
рах образуют новые минеральные комплексы и приобретают новую структуру, свойства которой в значительной степени формируются благодаря взаимодействию поверхностей контртел на дефектном уровне. Для описания процессов формирования дефектов могут быть использованы математические модели механики разрушения с критериями Гриффитса и Ирвина, которые нужно рассматривать с учетом кинетики трещин.
Широко распространенные явления прихвата инструмента, засаливания контактных поверхностей при трении и возникновение зон пластичности указывает на необходимость детального знания процессов, снижающих эффективность технологии вне связи с процессами растрескивания. Одним из таких процессов является консолидация частиц раздробленной горной породы, приводящая к формированию новой структуры горной породы, не зависимой от процессов разрушения. Эти явления к настоящему времени изучены довольно слабо, особенно, применительно к конкретным разностям горных пород и руд.
Рассматривая структуру горной породы можно видеть, что роль отдельных неоднородностей, таких как порфировые включения рудные прожилки, обломки в терригенных породах или тектонических брекчиях, зерна в осадочных отложениях и т.п., весьма разнообразна и для описания процессов в их контактах необходим целый ряд математических моделей, обеспеченных экспериментальными данными.
Вместе с тем, известные модели теории консолидации касаются уплотнения пористых материалов, типа грунтов под штампом в разных условиях дренажа, и восходят к исследованиям К. Терцаги,
Н.М. Герсиванова, М.А. Био и др. В основном таким образом моделируются
законы фильтрации жидкости в пористой среде и математические представления касаются разных сочетаний состояний твердого скелета грунта и поровой жидкости в предположении о её сжимаемости [2]. Под консолидацией при этом в основном понимаются процессы уплотнения грунтов, оценки которых необходимы для расчета устойчивости фундаментов или осадок зданий.
Явления структурообразования при консолидации вещества в твердом состоянии вследствие контактных взаимодействий, как правило не учитываются.
Настоящая работа посвящена раскрытию физического аспекта механики контактного взаимодействия частиц дробленой горной породы при её сжатии в замкнутом объеме с учетом процессов дезинтеграции и консолидации минеральных комплексов - продуктов дробления. Структурообразование рассматривается как механизм процесса массо-переноса между частицами в условиях их поверхностного повреждения, стимулированного развитием дефектности фаз при разрушении.
Объектом исследования служили пробы терригенных отложений Кавале-ровского района Приморья и медноколчеданные руды и их вмещающие риоли-ты из месторождений Учалинского ГОКа на Южном Урале.
Исследования абразивности и контактной износостойкости выполнено в комплексе с определением основных показателей физико-механических
свойств горных пород, позволившим обратить внимание на зависимость процессов изнашивания от их структурнотекстурных особенностей и тектонической трещиноватости. Особое внимание уделялось возможности учета закономерностей выявленных в процессе картирования рудных полей месторождений Приморья, Южного Урала, Горной Шо-
рии и Кавказа методами структурной петромеханики.
Наблюдения характера пространственной изменчивости основных показателей абразивности, крепости и прочности горных пород по ряду рудных месторождений, указывают на важнейшую роль дефектного строения, связанную с иерархичностью изменчивости основных структурно-вещественных комплексов в горных породах и рудах и их взаимосогласованное распределение в окрестности крупных тектонических нарушений. Минерализованные зоны объемного дробления или линейные рудные тела жильного типа образуют дефектную структуру, формирование которой трудно объяснить без знания механизмов контактных взаимодействий между разными формами вещественной неоднородности.
В структуре контактов, особенно сопряженных с тектоническими движениями блоков, берегов разломов и внутри крупных трещин можно наблюдать следы перемещения обломочного дробленого материала, консолидация которого сопряжена с развитием зеркал скольжения, залечиванием трещин, свидетельствующих об универсальности механизмов контактных взаимодействий как в смысле контактного разрушения, так и в консолидации на макро- и мик-роструктурных уровнях. Знания закономерности этих механизмов необходимы для прогнозирования качества руд на основе изменчивости прочностных параметров геоматериала, особенно для интерпретации данных геофизических методов, применяемых в целях технологического картирования.
Алевролиты и песчаники являются преобладающими представителями тер-ригенных образований, вмещающих рудные жилы и штокверковые оловоносные зоны, которые имеют промышленное значение и подвержены разра-
ботке в Приморье. В зависимости от размеров зерен в пачках переслаивания выделяются: глинистые сланцы, алевро-пелиты, алевролиты, полимиктовые и аркозовые песчаники.
Алевролиты представлены массивными, в некоторой степени рассланцо-ванными образованиями темно-серого или черного цвета, которые сложены остроугольными обломками кварца, полевого шпата, биотита, мусковита и серицита.
Песчаники, аркозовые мелко- и среднезернистые, - породы серого, зеленовато-серого и темно-серого до черного цвета, сложены угловатыми, частично окатанными зернами кварца, полевых шпатов, обломками кремнистых пород, известняков, глинистых сланцев, алевролитов. Цемент базальный, поровый, гли-нисто-серицитовый, глинисто-
хлоритовый.
Структура пород микролепидобла-стовая, микрогранобластовая, бластоп-саммитовая, определяется интенсивностью процессов метаморфизма, носящего главным образом термальный, а в зонах долгоживущих разломов динамо-термальный характер и метасоматоза. Текстура плойчатая, сланцеватая, реже полосчатая, вплоть до будинитовой, являющаяся причиной проявления анизотропии в физических свойствах терри-генных образований [5].
Исследование контактного структу-рообразования, как следствия консолидации в процессе формирования тер-ригенных осадков было выполнено петрографическими методами. Наблюдались формы разрушения и дефектного строения границ зёрен, с учетом эволюции гранулированного геоматериала в процессе его уплотнения, сопровождаемого скольжением и дроблением исходных минеральных агрегатов, присутст-
А Б
Рис. 1. Петрографический состав, А, и дефектное строение, Б, песчаника Дубровского м-ния, Кавалеровский район
вующих в составе алевролитов и песчаников.
Анализ показывает, рис. 1, что в структуре полимиктового песчаника присутствуют зерна, претерпевшие разные стадии контактного разрушения с образованием зон развития приконтак-тового катаклаза, представленных агрегатами вторичных перекристаллизо-ваннх зерен неправильной угловатой формы и развитых на фоне округлых зерен не подверженных динамобластезу. Очевидно, что геометрия этих дефектных зерен и характер распределения продуктов их дробления определяется направлением действия неравнокомпонентного стрессового давления. При этом наиболее поврежденными и насыщенными дефектами являются границы зерен.
Залежи колчеданных руд месторождений на Южном Урале раположены в толще вулканогенно-осадочных пород нижнего и среднего палеозоя, представ-
ленных перемежающимися разностями риолитов, андезито-дацитов, а также их туфами. В пределах шахтного поля встречаются также экструзивные и суб-вулканические тела и дайки различного состава и возраста. Кроме того шахтное поле сечется протяженными субмери-диональными дизъюнктивными разломами, секущимися серией субширот-ных нарушений разломов.
Рудные тела, линзовидной формы, обладающие ровной поверхностью и представленные плотными сплошными медными или медно-цинковыми рудами, оторочены зоной вкрапленной минерализации мощностью иногда не более метра, а иногда, в участках прогибов кровли достигающей 35-40 м. Руды медно-цинковые и медные, с массивной структурой в основном монолитны, но на контактах с секущими дайками трещиноваты. Среди вмещающих пород развиты несущие прожилковое орудене-
ние эксплозивные и эруптивные брекчии.
В связи с тем, что в массивной структуре руд и вмещающих пород, подвергнутых влиянию позднего метаморфизма отсутствуют признаки, позволяющие раскрыть механизм консолидации дробленых при тектонической активизации и брекчированных разностей риолитов и медно-колче-данных руд, были поставлены эксперименты, направленные на изучение механизмов контактного взаимодействия рудокла-стов и обломков риолитов при сжатии, причем характер их контактного взаимодействия с образованиями типа рудных прожилков моделировался с использованием спе-циальной медной пластины-свидетеля, размерами
50х50х1.5 мм.
Эксперименты по сжатию дезинтегрированного материала в замкнутом объеме были выполнены с использованием камеры объемного сжатия по схеме Кармана.
Серии экспериментов включали сжатие и разгрузку дробленого материала в камере объемного сжатия с участием и без участия пластины свидетеля. В последнем случае пластина-свидетель помещалась в камеру цилиндра в разных положениях: параллельно, перпендикулярно и под углом 45о к приложенной нагрузке.
С использованием двух проб медноколчеданных руд выполнено семь серий экспериментов по нагружению в цилиндре навесок фракции -25 +10 мм дробленого материала при разных скоростях и усилиях сжатия. Нагрузка на образец передавалась с постоянной скоростью, позволяющей метрологически обосновано контролировать реакцию образца с использованием определенных конструкцией испытательной машины четырех силовых диапазонов от 10 до 100 т.
При испытании контролировались следующие параметры [3]: - скорость нагружения, предельное усилие в пределах выбранного диапазона и абсолютная осевая деформация, представленные в виде нагрузочно-деформационных характеристик, записанных на диаграммах сжатия. Как для исходного материала, так и для продукта сжатия, принимающего и сохраняющего после извлечения из камеры форму цилиндра, на основе ситового анализа контролировался гранулометрический состав продуктов дробления.
Непосредственно в ходе эксперимента состояние образцов контролировалось с использованием ультразвука.
Общая характеристика серий испытаний следующая [3].
Для пробы №1, представленной вкрапленной медно-колчеданной рудой, фракции - 25 +20 мм, было выполнено 3 серии экспериментов, имеющих целью оценку информативности силовых характеристик при испытании образцов дробленой руды в режиме циклического нагружения. В экспериментах первой серии было выполнено 3 цикла нагружения, причем нагрузка задавалась раздельно внутри каждого диапазона, начиная с 10 т и проходя через 40 т заканчивалась в диапазоне 100 т. При этом в диапазоне 10 т было выполнено 3 цикла нагружения, в диапазоне 40 т также 3 цикла нагружения, а в диапазоне 100 т -четыре цикла, которые указали на существенно неоднородный характер изменения деформаций при дезинтеграции руды. Отдельные акты разрушения фракционированного материала фиксировались неконтролируемыми актами повышения и понижения прочности материала, причем в последних нагрузка иногда падала до нулевых значений. При этом, в диапазоне 10 т, скачкообразный характер разрушения - упрочне-
Рис. 2. Общий вид пластины свидетеля после объемного сжатия дробленой руды в камере по схеме цилиндр-поршень
ния проявляется в виде аномалии, наложенной на плавную нагрузочную характеристику и носит довольно локальный характер. Возрастающая со временем нагрузка, достигая определенного значения, образует локальный минимум, а затем опять начинает плавно возрастать.
При сбросе нагрузки аномальность начинает фиксироваться вновь и приобретает более плавный характер, который характерен для поведения руды в запредельном состоянии, когда основным деформационным процессом является ка-такластическое течение. Можно предположить, что при малых нагрузках в дробленой породе (руде), находящейся в запредельном состоянии, происходит квазипластическая переупаковка фракций, т.е. процесс дезинтеграции далее реализован быть не может.
Переход на более высокие уровни нагружения, в 40-тонном и 100-тонном диапазонах, характеризующийся существенным увеличением скорости нагружения ознаменовался ростом интенсивности процессов дезинтеграции, связанной с увеличением количества знакопеременных участков, которое характерно для поведения материала в широко известном в геологии состоянии крипа.
При этом процесс дезинтеграции начинает происходить на фоне развития консолидации материала, которая сводится, в начале, к уплотнению разрушенной породы, а затем сменяется прессованием, в результате которого продукт дробления брикетируется и затем, после разгрузки сохраняет форму камеры сжатия.
В экспериментах 2-й серии, в которой также использована вкрапленная руда, но несколько более мелкой фракции, -20+10мм, предельное напряжение сжатия в которой достигало 336 МПа, выполнено ступенчатое нагружение образца отдельными циклами в пределах диапазонов 10,40 и 100т. Целью экспериментов явилась дифференциация стадий консолидации и дезинтеграции на основании варьирования разной длительности процесса сжатия.
Опыты показали, что в диапазоне низких нагрузок, до 10т, нагружение имеет плавный характер и незначительно осложняется процессами наложенного разрушения, свойственными 1-й серии. Циклическое ступенчатое нагружение образца, выполненное в диапазоне 40 т, позволяет отметить, что характер нагрузочной характеристики от цикла к циклу остается неизменным, что свиде-
тельствует о реализации фазы уплотнения дробленого материала.
В диапазоне больших нагрузок, до 100 т, также можно видеть монотонное уплотнение, нарушенное аномальным разуплотнением как в стадии упрочнения материала, так и в стадии катакла-стического течения. Наличие четырех явных локальных срывов, при которых нагрузка снижается почти на 40% от максимальной, свидетельствует об увеличении мощности процессов дезинтеграции в условиях квазистатического роста нагрузки.
Третья серия экспериментов преследовала цель проследить характер изменения взаимоотношений механизмов дезинтеграции и консолидации с изменением гранулометрического состава исходной руды. Для сжатия была выбрана фракция -15+10 мм, навеска из которой сжималась в камере при меньших скоростях нагружения и в более длительном временном интервале. Предельная нагрузка сжатия составила при этом 471,3 МПа. Такие условия позволяют проследить характер релаксации напряжений сжатия во времени и оценить их роль в процессах дезинтеграции поли-минеральных руд. Если в малых и средних диапазонах ( диапазоны 10 и 40т) характер изменения нагрузки оказывается подобен ранее наблюдаемым, то в диапазоне 0-100т со временем начинают проявляться процессы релаксации напряжений, которые также осложняются аномальными эффектами, свидетельствующими об активизации внутренней структурной перестройки гранул, способствующей процессу разгрузки образца в целом.
Особенности кинетики дробления полнокристаллических геоматериалов, в частности медноколчеданных руд и вмещающих риолитов, прослеживаются и на основе петрографо-фрактогра-фических
данных. Установлено, что ведущими механизмами процессов консолидации (под-прессовки) и дезинтеграции (дробления) является динамика дефектного строения материала. Происходит изменение пористой, трещиноватой и дефектной структуры.
Оценка результатов дробления делалась на основе анализа количества и формы дефектов и их частей, каковыми являются трещина в целом, формы её активизации в виде направленных потоков дефектов, способствующих интенсификации деформаций и, при превышении критической концентрации, аккумулирующихся в виде пор или трещин с увеличенной областью вскрытия. В отличие от раскрыва, как геометрического расстояния между берегами, под зоной вскрытия трещины понимается область, выполненная дробленым материалом с иными физико-механическими свойствами, т.е. материалом с большей концентрацией дефектов или более мелких трещин.
При объемном сжатии, трещина, а точнее локализованная поверхность дробления материала приобретает более равномерную структуру, рис. 3.
В общем, интегральная структура разрушения и неразрывно с нею связанная вещественная структура геоматериала, зависимая от вида напряженно-деформированного состояния, представляется совокупностью в разной степени развитых поверхностей раздела, имеющих как термохимическую (межфазные границы), так и механическую (собственно трещины) природу. Соотношение количества поверхностей того или иного типа определяются условиями движения геоматериала, носящими групповой характер как для диффузии вещества, так и для дрейфа дефектов и трещин. В частности в структуре консолидированных частиц образуются одетые в стеклянную
500.00
450.00
400.00
гение_
уис. 3. Разные стадии трансформации структуры дробленой руды при объемном сжатии: А)
исходная, Б) конечная форма
оболочку поровые каналы, которые не свойственны рудам в исходном состоянии.
Динамика изменения физических свойств дезинтегрированного геоматериала оценивалась при интерпретации деформационно-нагрузочных характеристик на основе известных физических моделей, адекватность которых контролировалась результатами петрографии и фрактографии. Причем в качестве основ модели принято представление о дифференциальной упругости раздробленной горной породы или руды, сохраняющих свои исходные упругие свойства и в квазисыпучем состоянии.
Анализ деформационно-нагрузочных характеристик показывает, что собственно эффект вскрытия новых поверхностей реализуется в зоне объемного сжатия, в которой частички неправильной формы разрушаются, достигая предельных значений прочности исходного материала. Здесь оказалось допустимо использование дилатансионной модели Роу-Хорна, согласно которой в рыхлых упаковках возможна реализация скольжения друг относительно друга новообразованных групп частиц по разным направлениям, среднее из которых
соответствует минимуму поглощенной энергии сдвига:
Е т»= tg2(45o+ ф/2) (1)
01/03(1-^^81)*) = tg2(45o+ ф/2) (2)
где ф f - угол трения между частицами-больше угла внутреннего трения породы и меньше Кулонова угла сопротивления сдвигу в критическом состоянии [6].
Особенностью принятой модели является её способность описывать явления деформирования и разрушения геоматериала на основе представления о некоаксиальности тензоров напряжений и деформаций. Адекватность модели подтверждена многочисленными экспериментами по разрушению горных пород в камерах неравнокомпонентного трехосного сжатия (Алексеев, Ставро-гин, Тарасов, Кирничанский,....). Последнее позволяет рассматривать отдельно процессы дезинтеграции частиц под воздействием предельных нагрузок и процессы межгранулярного скольжения и частичного зернограничного дробления. При этом разделение напряжений и деформаций выполняется на основе анализа гистерезиса по диаграммам циклического деформирования образцов.
Механизм разрушения идентифицируется при этом на основании петрографических анализов шлифов.
Общая схема разрушения руды Узель-гинского месторождения, представленного пробой Уз-80 и испытанной с пластиной свидетелем сводится к следующему, рис. 4.
Проба руды, отобранная из зоны закалки рудного тела на контакте с вмещающей породой, обладает мас-сивной полнокристаллической структурой и содержит следы окисления и приконтакто-вого метасоматоза, чем и определяется способность её к разрушению. Она, разбитая веерообразными трещинами, оже-лезненная на контакте с крупными, до 70 мм будинообразными породными, риолитового состава, включениями-желваками, обнаруживает самую высокую прочность при сжатии и при растяжении, несмотря на то, что в местах окисления разложена до дресвы, разбита густой сетью трещин и хлоритизирова-на.
На фоне криволинейных трещин, вскрывающих контакты включений, в этой пробе развита блоковая отдель-
ность, выраженная протяженными, трансструктурными изломами-гранями, которые можно рассматривать в качестве концов сдвиговых трещин.
Эксперименты, проведенные в диапазоне 10-100т в режиме циклического нагружения, позволяют отметить, что, несмотря на положение руды в гетерогенной части разреза месторождения, она сохраняет свои свойства постоянными, не обнаруживая признаков аномальных деформаций, обусловленных неоднородностью.
Вместе с тем, в процессе дробления, результатом которого является резкий сброс нагрузки во время опыта, фиксируется рост остаточных деформаций при малых нагрузках, что свойственно сдвигу и переупаковке зерен, а по мере перехода в средний и более высокие диапазоны нагружения принимает все более упругий характер, говорящий о преобладании процессов консолидации, при этом рост остаточных деформаций снижается.
Совсем иначе ведет себя при сжатии руда Учалинского месторождения, представленная пробой ФЗ-64., рис. 5.
600,00
-100,00 ------------------------- —--------------------------------
Деформация, е
Рис. 5. Деформационно-нагрузочная характеристика объемного сжатия медно-цинковой руды. Проба ФЗ-64 Учалинское месторождение
Рис. 6. Деформационно-нагрузочная характеристика объемного сжатия лавобрекчии миндалекаменных базальтовых порфиров, проба Ф3-136, Учалинское месторождение
В диапазоне максимальных нагрузок медно-цинковый колчедан обнаруживает переход в пластическое состояние, которое фиксируется площадкой текучести при нагрузках 450-500 МПа. Однако при этом также не отмечается существенного роста остаточных деформаций, которые остаются на прежнем уровне, обусловленном упругим сжатием.
И совершенно иначе ведет себя в условиях объемного сжатия вмещаю-
щая порода. Практически во всем диапазоне нагружения наблюдается линейное деформирование при постоянстве модуля деформаций и модуля упругости, фиксируемые смещения носят чисто сдвиговой характер, свидетельствующий о продолжении при сжатии переупаковки частиц. Коэффициент деформации мало изменяется и лежит в диапазоне200-300 МПа, причем модуль упругости составляет 50-180 МПа, приближаясь к уровню коэффи-
Рис. 7. Формы рельефа и распределение химических элементов на поверхности пластины-свидетеля после её контактного нагружения в камере объемного сжатия
циента деформаций только при высоких нагрузках в 100-тонном диапазоне.
Вмещающая порода Учалинского месторождения, представленная пробой ФЗ-136 по характеру деформирования мало отличатся от руды, сохраняя тенденцию роста деформаций с нагрузкой аналогичную рудной пробе ФЗ-64. Её характер упругого поведения при испытании в малоцикловом режиме аномально меняется.
Анализ участков аномальных деформаций, позволяет, дифференцировано подойти к проявлениям гистерезисных эффектов разрушения и пластического течения и реконструировать на их основе условия проявления нелинейности и неус-
тойчивости геомеханических состояний горных пород и руд, обусловленных их неоднородностью, как следствия гетерогенеза.
Механизмы контактных взаимодействий при сжатии дезинтегрированного материала в пробах получили отражение в рельефе пластины-свидетеля, кривизна которой указывает на переупаковку зерен, соответствующую участкам уплотнения, зарегистрированных на деформационно-нагрузочных диаграммах. Процессы консолидации в поверхности контакта с рудными зернами выражаются возникновением участков сцепления на поверхности медной пластины, при-
хватывающей гранулы руды. Следы скольжения проявляются в форме царапин резания, причем формируется рельеф со вскрытием химически чистой медной поверхности, рис.7-в .
Примазки барита-а, поверхность рудной гранулы-б, задир в меди -в, спектр ЭМА-г.
Как показали исследования поверхности контакта, выполненные с помощью сканирующей электронной микроскопии, консолидация поверхностей частиц и поверхности медной пластины обусловлена химическим и механическим взаимодействием минералов из состава медно-колчедан-ных руд. При этом, механические процессы, сутью которых является интенсивное дефектооб-разование, служат фактором поверхностной активации вещества контртел.
Анализ спектрограмм показывает, что сутью процесса консолидации медно-колчеданных руд при их механической активации в процессе контактных взаимодействий с медной пластиной является окисление сульфидов с диссоциацией сульфатов на ионы. При этом распределение отдельных минералов на поверхности контакта и их структура весьма различны. Наиболее слабые минералы, группы карбонатов, барит, кальцит, обладают максимальной адгезией с поверхностью окисления меди. Обладая широко развитой дефектной структурой, барит образует на поверхности примазки с формированием зеркал скольжения. На спектрограммах он фиксируется пиками серы, бария и кислорода. В рудных зернах барит ассоциирует с пиритом.
Зерна пирротина, арсенопирита, галенита оказываются более прочными и в основном вступают в контактное взаимодействие на дефектном уровне, в большей степени концентрируясь в рудных зернах. Обладающие наибольшей
прочностью зерна кварца выполняют чисто механическую роль, деформируя и разрушая пластичную поверхность меди.
В заключение можно отметить следующее.
Динамику формирования консолидированного тела со структурой можно представить на основе конкуренции двух основных механизмов адгезионного схватывания, определяющих взаимодействие мелкой и крупных фракций с разной степенью нарушенности и по разному проявляющихся относительно химически активных поверхностей. Поверхностная консолидация руд и сплавов на основе железа происходит вследствие разрушения окисленного поверхностного слоя и последующей ассоциации продуктов разрушения с веществом рудной массы. Поверхность ожелезнен-ных гранул выступает в виде акцептора и при этом упрочняется. Наоборот, окисленный слой инертного материала, способствует образованию ассоциированного материала на основе меди. Происходит упрочнение за счет модификации поверхности меди агрегатами частиц руды, а поверхность частиц руды при этом служит донором. И, наконец, читая медь, будучи химически инертным веществом, не участвует в массоб-мене и подвергается исключительно механическому абразивному воздействию.
При наложении процессов дезинтеграции и консолидации процесс дробления реализуется по следующей схеме:
- разрушение крупных частей геоматериала, в зависимости от внутренней дефектности зерен исходного класса;
- накопление мелкой фракции, вплоть до состояния квазиравновесия, т.е. образования критической массы, при преобладающем сопротивлении кусков крупных фракций;
- включение в «работу» мелкой фракции и её, сопровождаемое ростом нагрузки, последующее уплотнение вплоть до предельного значения.
Из результатов экспериментов можно также отметить присутствие двух процессов консолидации-дезин-
теграции. Это интергранулярные процессы, протекающие вследствие контактных взаимодействий гранул разного фракционного состава и процессы разрушения, в которых ведущим является механизм внутригранулярной активизации, которая и определяет форму разрушения и ведет к перераспределению геохимических элементов в горных породах.
В итоге можно отметить, что в процессах тектонической активизации формируется два типа дефектных структур, к одной из которых относятся дефекты и трещины разрушения, описание которых наиболее удобно с позиций линейной механики разрушения, и трещины и дефекты консолидации, совокупно представляющие процесс аннигиляции повреждений и способствующие упрочнению геоматериала. Их разделение и идентификация требует совместных усилий геохимии и структурной петро-механики.
Испытания ряда образцов из проб, репрезентативно представляющих геологические процессы, позволяют на основе анализа всей совокупности данных синтезировать обобщенные деформационно-нагрузочные характеристики,
включающие элементы циклического нагружения.
Отмеченные при анализе деформационно-нагрузочных характеристик
аномальные явления и явления локаль-
1. Никитин С.М. Совершенствование методов определения абразивности геомате-
ной дискретизации позволяют предполагать возможность проявления в процессах контактных взаимодействий неустойчивости по типу эффекта Манделя-Крайера [2], предполагающего немонотонность изменения состояния приповерхностного слоя. При этом, представленная в модели Манделя-Крайера немонотонность порового давления может рассматриваться в качестве частного случая контактовой модификации дефектной среды. Некоторым подтверждением этих предположений является образование поровых каналов в консолидированной руде.
Кроме того, исследования гистере-зисных явлений при анализе деформационных кривых, интерпретированных на основе представлений об аномальности некоторых геомеханических состояний геологической среды и указывающих на их наложенный характер, связываются с осложнениями возможностей аппроксимации предельных состояний горных пород и руд константами в стандартных моделях однородных тел, типа Гука, Максвелла, Ньютона и т.п.
Имея наложенный характер, или обнаруживая себя в процессе нагружения закономерной сменой геомеханических состояний, аномалии деформирования и разрушения проявляются благодаря тесной связи свойств с трансформацией вещественного состава геоматериала на контактах гранул, изменяющих свои характеристики в зависимости от баланса вещества и условий трения, причем приповерхностное дефектное строение контртел определяется также характером локализации геохимических компонент.
------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
риалов. /Материалы первой международной конференции «Вопросы комплексной переработки сырья Казахстана». Алма-Ата, 2003 г.
2. Глаговский В.Б., Нуллер Б.М. Контактные задачи теории консолидации. Механика контактных взаимодействий. - М.: ФИЗ-МАТЛИТ, 2001. - 672с. - ISBN 5-9221-0154-4.
3. Краснов Г.Д., Никитин С.М., Подга-ецкий А.В., Чихладзе В.В Изменение свойств минеральных ассоциаций в условиях объемного сжатия. Горный инф.-аналит. Бюлл.№7. -М.: Горная книга, 2007.
4. Жирмунский А.В., Кузьмин В.И. Критические уровни в развитии природных систем. Л.: Наука,1990.223с
5. Ярош П.Я., Буслаев Ф.П. Структуры руд и история формирования рудных агрегатов Узельгинского месторождения. Уральский научный центр АН СССР. Свердловск - 1985. 100 с.
6. Роу П. Теоретический смысл деформационных параметров грунта. Определяющие законы механики грунтов. - Механика (Новое в зарубежной науке), №2.: - М. : Мир, 1975.С.176-143.ЕШ
— Коротко об авторе --------------------------------------------
Никитин С.М. - научный сотрудник, ИПКОН РАН, [email protected]
А
----------------------------------- ДИССЕРТАЦИИ
ТЕКУЩАЯ ИНФОРМАЦИЯ О ЗАЩИТАХ ДИССЕРТАЦИЙ ПО ГОРНОМУ ДЕЛУ И СМЕЖНЫМ ВОПРОСАМ
Автор Название работы Специальность Ученая степень
ЧИТИНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
БАБЕЛЛО Виктор Анатольевич Развитие методов оценки физикомеханических свойств горных пород в массиве для геомеханического обеспечения открытой угледобычи 25.00.20 д.т.н.
