CC BY
9
ГЕОТЕХНОЛОГИЯ
УДК 552.525
МОДЕЛИРОВАНИЕ АДСОРБЦИОННОЙ СПОСОБНОСТИ ГЛИН
НА СТАДИЯХ ЛИТОГЕНЕЗА
В.И. Галкин, В.В. Середин, К.А. Алванян, Ш.Х. Гайнанов
Глины являются одним из важнейших полезных ископаемых, они нашли широкое применение в области промышленности. Разработка месторождений полезных ископаемых открытым или подземным способами осуществляется, преимущественно, на глубинах до 10 - 1000 м. Глинистые породы (пласты, слои и прослои) разного генезиса, находящиеся в массиве подготовительных и очистных горных выработок (кровле, почве и боках) или в бортах карьеров оказывают существенное влияние на устойчивость горных выработок. Особенно большое влияние, на безопасность ведения горных работ оказывают глины, подвергшиеся техногенному воздействию, прежде всего, водными растворами и парами воды при открытой и подземной разработках месторождений полезных ископаемых. При разработке месторождений полезных ископаемых, глины, слагающие вскрываемые массивы, оказывают очень большое влияние на устойчивость горных выработок. Прочностные характеристики глинистых пород во многом определяются степенью их водонасыщения. Для разработки технологий увеличения прочностных свойств глинистых прослоев необходимо изучить влияние состава и структуры глин, образованных на разных этапах литогенеза, а также на их адсорбционную (водопоглотительную) способность.
Ключевые слова: бентонитовая глина, структура глины, дзета-потенциал, адсорбция, дискриминантный анализ, многомерный регрессионный анализ.
Введение
Глины, в процессе литогенеза, изменяют свой минеральный и гранулометрический состав, структуру и физико-механические свойства [1]. По данным [2] стадии литогенеза глинистых осадков характеризуются следующими показателями: при диагенезе - глубина нижней границы 300 м, давление 10 МПа, при катагенезе соответственно 300... 5000 м и давление до 200 МПа, а при метагенезе 10000 м и давление более 200 МПа.
Глинистые породы (прослои) разного генезиса, находящиеся в кровле камер или в бортах карьеров оказывают различное влияние на устойчивость горных выработок [3]. Так, на Верхнекамском месторождении калийно-магниевых солей глинистые породы представлены галопели-товыми слоями и прослоями (коржами). Формирование галопелитов проходят стадии диа- и катагенеза [4]. Коржи, находясь в кровле горных выработок, расположенных на глубине 200... 500 м и более, сорбируя водяной пар из воздуха, уменьшают свою прочность, что повышает опасность проведения горных работ. Степень водонасыщения глин является одним из важнейших факторов, определяющих их прочностные и деформационные свойства [2].
Поэтому целью данной работы является моделирование адсорбционной (водопоглотителъной) способности глин на разных стадиях литогенеза.
В качестве объекта исследования выбрана бентонитовая глина. Выбор этой глины обусловлен тем, что при воздействии на нее водных растворов, она значительно изменяет свои физико-механические свойства. Например, при насыщении бентонитовой глины водой набухание может составлять 500 % и более. Гранулометрический состав природной глины по фракциям (мкм) представлен на рис. 1.
Рис. 1. Процентное соотношение фракций гранулометрического состава природной и обогащенной глины
Минеральный состав бентонитовой глины представлен на рис. 2:
■ Природной шины, % ■ Обогащенной шиной, %
81 I 88 I
■ 8 11 3 2 1 1
кварц монтмориллонит каолинит КПШ иппит
Рис. 2. Процентное содержание минералов природной и обогащенной
глины
Методика
В методическом плане работа выполнялась следующим образом: первоначально природная глина обогащалась [5], затем обогащенный бентонит подвергался сжатию, в диапазоне давлений от 0 до 800 МПа по методике [6]. Полученные образцы исследовались рентгенофлуоресцентным анализом [7], инфракрасной спектроскопией [8], дифрактометрическим анализом [9]; электрокинетическим методом [10] для определения дзета-потенциала. Размер пор образцов глин определялись методами низкотемпературной физической адсорбции газообразного азота в порах исследуемых материалов на анализаторе удельной поверхности ASAP 2020MP (Mi-crometrics, США) при температуре жидкого азота (минус 196 С) [11]. Водородный показатель рН характеризующий свойства порового раствора глин подверженных давлению определялся по методике [12].
Обработка результатов эксперимента проводилась в следующем порядке: первоначально строятся поля корреляции, по которым визуально определялся вид и теснота связи между давлением и водопоглощением глин. Оценку влияния давления на водопоглощение проводили для каждой выборочной совокупности отдельно. Затем определяются граничные значения между выделенными классами дискриминантным анализом. После чего рассчитываются многомерные модели следующим образом: первоначально ранжируются значения результативного признака от минимума к максимуму. Затем формируются выборки по следующему принципу: первая n=4, вторая n=4+1, третья n=4+2 и так далее до окончания класса. Строятся математические модели для каждой выборки. В качестве «y» -выступает результативный признак, а «x» - факторные признаки (х1, х2, х3, хп). Ранжирование признаков по степени их влияния на водопоглощение проводили с использованием математических моделей. В основу ранжирования положен метод построения многомерной математической модели: на
первом месте расположен факторный признак (х1), имеющий наибольший коэффициент корреляции (Гтах) с результативным признаком (у), поэтому считаем, что он оказывает наибольшее влияние на формирование результативного признака. На втором месте расположен факторный признак (х2), имеющий наибольший коэффициент детерминации (Я2) с результативным признаком, с учетом влияния первого факторного признака (х1), он имеет меньшее влияние на формирование результативного признака. На третьем месте расположен показатель х3 имеющий наибольший Я2 с учетом х1, х2 и т д. Таким образом, в каждой математической модели определяется ранг факторного признака по степени влияния на результативный признак. В заключении оценивается влияние факторных признаков на результативный в динамике, путем анализа изменений рангов по всем полученным математическим моделям. После чего разрабатывается модель формирования во-допоглощающей (адсорбционной) способности глин подверженных давлению, в основу которой положены изменение рангов факторных признаков.
Результаты исследований
Показатели, используемые при расчетах:
- водопоглотительная способность оценивалась показателем адсорбции (А) глиной водяного пара, мг/г;
- давление (Р, МПа) - это показатель, характеризующий этапы литогенеза;
- площадь удельной поверхности мезопор (8мезо, м2 /г);
- площадь удельной поверхности микропор (8микро, м2 /г);
- водородный показатель рН - характеризует свойства порового раствора глин, подверженных давлению;
- содержание удаленных из пакетов ионов алюминия (С, %) - характеризует энергетический потенциал пакета минерала монтмориллонит, который оценивается через дефектность пакетов, вызванного выносом из октаэдрического листа ионов алюминия;
- толщина бездефектного минерала (Мк, А) - характеризует энергетический потенциал минерала монтмориллонит, вызванного его дефектностью, за счет смещения пакетов между собой и их деформаций;
- дзета-потенциал мВ) - характеризует энергетическую активность на поверхности коллоида.
Оценка влияния давления на водопоглощение глин
Изменение показателя адсорбции (А) от давления активации (Р) бентонитовой глины показано на рис. 3.
Как видно из рис. 3, с ростом давления адсорбция глины по водяному пару возрастает с А = 235 мг/г до А = 296 мг/г. В диапазоне давлений от 0 до 150 МПа (катагенез) значение адсорбции изменяется более интенсивно и принимает значения менее чем 275 мг/г. При давлении от 150 до 800 МПа значения абсорбции глины возрастает незначительно - с 275 мг/г до 296 мг/г (метагенез).
Рис. 3. Влияние давления активации на изменение показателя адсорбции бентонитовой глины по водяному пару
Таким образом, давление равное 150... 200 МПа является граничным значением между ката- и метагенезом, что согласуется с данными [2]. Значительное изменение поглотительной способности глин на этапе катагенеза согласуется с данными [13].
Граничное значение между мета- и катагенезом Граничное значение между мета- и катагенезом можно обосновать численно, дискриминантным анализом, суть которого заключается в том, что первоначально формируется выборка из данных «достоверно» относящихся к классам 1 (метагенез) и 2 (катагенез). По данным выборки рассчитывается линейная дискриминантная функция (Ъ), которая имеет следующий вид:
2 = 31,98 - 0,29671 • 8мезо - 3,97104 • С. (1)
Затем получаем значения функции Ъ путем подставления в нее средних значений Бмезо и С. После рассчитываются частные значения Ъ1 и при Ъ1>Ъ точка опробования относиться классу 1, а при Ъ1<Ъ к классу 2.
При Я2 = 0,792, х2 = 22,777, р = 0,0000 данная функция является статистически значимой. Правильность классификации по данной функции составило 84,61%. Используя полученную модель вычислены значения Ъ и определены вероятности Р(Ъ) принадлежности экспериментальных наблюдений к классам 1 и 2. Для класса 1 среднее значение вероятности составило Р(Ъ) = 0,143, для класса 2 Р(Ъ) = 0,833, граничное значение между классами определялось при Р(Ъ) = 0,50 и составило А = 275 мг/г.
Давление является комплексным показателем адсорбции. Это обусловлено тем, что давление оказывает влияние на изменение состава, структуры и свойств порового раствора глин, что согласуется с данными работ [14-15]. Поэтому ниже рассмотрим влияние отдельных факторов на изменения адсорбции глин. Для решения этой задачи произведем расчет
многомерных моделей. Для построения моделей, измеренные значения А, ранжируем от минимального (А = 235 мг/г) до максимального (А = 296 мг/г) значений.
Процесс анализа формирования значений А в зависимости от показателей выполнен по следующей схеме: первое уравнение регрессии строится по 3 минимальным значениям А (п=3), следующая модель при п=4, и так далее до п=26. Всего построено 24 модели. Затем произведено ранжирование факторных признаков по степени их влияния на водопоглощаю-щую способность глины (А). Для этого в каждой из 24 моделей определен ранг (степень влияния) показателей на адсорбцию глины. Степень влияния определяется по месту, занимаемому в модели. Показатель, оказывающий наибольшее влияние находится на первом месте, меньшее на втором и так далее. Так, например, при объеме выборки п=13 модель имеет следующий вид:
А = 0,203 • Бмезо - 0,190 • рН - 0,270 • Мк - 0,036 • с; - 0,256 • С -
- °,°8° • £микро-
Из приведенной модели видно, что наибольшее влияние на адсорбцию оказывает Sмезо, которому присваивается ранг 1, меньшее рН - ранг 2, еще меньшее Мк - ранг 3 и т д. При построении моделей использовался пошаговый регрессионный анализ, поэтому показатели, оказывающие незначительное влияние на адсорбцию из модели исключаются. Результаты ранжирования признаков по степени их влияния на адсорбцию для каждой модели приведены в табл. 1.
Таблица 1
Ранги факторных признаков в многомерных математических моделях
Объем выборки, п Давление, Р, МПа Интервал построения моделей по А Значения рангов признаков в построенных многомерных уравнениях регрессии
Р Smü- зо рН Мк Z С Sмикро
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
4 35 235-260 - - 2 - - - 1
5 50 235-263 - 2 - 3 - - 1
6 75 235-263 - 2 3 - - 4 1
7 85 235-265 1 2
8 95 235-266 3 5 2 - 1 4 6
9 105 235-270 - - 2 - 1 - -
10 115 235-270 - - 2 - 1 - -
11 125 235-273 1
12 135 235-275 - 1 2 - - - -
13 150 235-275 - 1 2 - - - -
Окончание табл. 1
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
14 200 235-277 2 1 - - - - 3
15 250 235-278 2 1 3 - - - -
16 300 235-280 2 1 3 - - 4 -
17 350 235-282 2 1 3 - - - -
18 400 235-283 2 1 3 - - 4 -
19 450 235-286 2 1 3 - - 4 -
20 500 235-289 2 1 - - 4 3 -
21 550 235-290 2 1 - - 4 3 -
22 600 235-291 2 1 - - 5 3 4
23 650 235-293 2 1 - - 5 3 4
24 700 235-296 - 1 - 2 - - -
25 750 235-297 - 1 - 2 - - -
26 800 235-300 - 1 - 2 - - -
Обсуждение результатов исследований
Стадия раннего катагенеза (Р = 0... 75 МПа). По данным исследований, на этой стадии выделяются два подэтапа формировании водопо-глощающей активности бентонитовой глин: при давлениях, равных от 0 до 35 МПа, - первый и при давлениях, равных от 35 до 75 МПа, - второй (табл. 2).
Таблица 2
Подэтапы формирования водопоглощающей активности
бентонитовой глины
Стадии литогенеза Этапы литогенеза Давление активации, МПа Показатели, оказывающие существенное влияние на адсорбцию глины Размах значений адсорбции, мг/г Средние значения адсорбции глин, мг/г
Ранг 1 Ранг 2
Катагенез ранний 0-35 Змикро рН 235-260 248,2
35-75 Змикро Змезо 263-265 263,7
средний 75-95 Р Змезо 263-275 269,3
поздний 95-125 с рН 270-282 272,0
Метагенез ранний 125-200 Змезо+ ^ рН 282-289 283,6
средний 200-650 Змезо Р 273-297 285,0
поздний 650-800 Змезо Мк 278-300 291,2
Фактор первого ранга. Для первого и второго этапов раннего катагенеза к фактору первого ранга относится площадь микропор. Как показа-
ли проведенные ранее исследования [16 - 17], с увеличением давления до 150 МПа возрастает содержание в глине фракции менее 0,2 мкм на 1,1%, причем скорость возрастания в диапазоне давлений от 0 до 80 МПа выше, чем при давлениях 80... 150 МПа. Это вызвано процессом дробления более крупных глинистых частиц. В результате дробления глинистой фракции и уплотнения ультратонких глинистых частиц наблюдается уменьшение размера пор и, как следствие, увеличение удельной поверхности микропор с Змикро = 31,1 м2/г до 8микро = 33,6 м2/г. Поэтому на стадии раннего катагенеза 8микро является ведущим показателем в формировании адсорбционных свойств глины. Полученные данные согласуются с результатами [18].
Фактор второго ранга. Для первого этапа раннего катагенеза к фактору более низкого порядка относиться водородный показатель поро-вого раствора рН, а для второго этапа удельная поверхность мезопор. По полученным нами ранее данным [19] в процессе нагружения глины, в ок-таэдрическом листе минерала монтмориллонит разрушаются связи между ионами А1+3 и ОН-, А1+3 и О-2. Установлен вынос ионов А1+3 в диффузный слой частиц [16], где ионы А1+3 связывают гидроксильные группы, а ионы водорода повышают кислотность порового раствора:
А13++ 3Н20 ^ А1 (0Н)3 + 3Н+ . (3)
В поровом растворе ионы водорода выступает в роли дополнительных энергетических центров. Поэтому показатель рН тоже оказывает важное влияние на формирование адсорбции глины.
По данным [20] в диапазоне давлений от 10 до 150 МПа агрегация глинистой фракции (0,2.5 мкм) приводит к увеличению содержания пы-леватой фракции (5.50 мкм) на 12 % и их уплотнению. Процесс агрегации частиц формирует макро и мезопоры, а уплотнение глин способствует уменьшению размера мезопор с 4,1 нм до 3,6 нм и как следствие увеличению удельной поверхности мезопор с 98 до 104м2/г. Поэтому показатель, характеризующий удельную поверхность мезопор, оказывает хотя и подчиненное, но важное влияние на формирование адсорбции глин.
Стадия среднего катагенеза (Р = 75...95МПа). Здесь фактор первого ранга не выделяется, в его роли выступает обобщенный показатель -давление (Р). В качестве фактора второго ранга выступает удельная поверхность мезопор, которая возрастает на 1,5 м2/г. Это свидетельствует о том, что процессы агрегации глинистых частиц продолжаются на этой стадии катагенеза.
Стадия позднего катагенеза (Р = 95.125 МПа). На этой стадии энергетический потенциал поверхности коллоида (дзета-потенциал) является ведущим в формировании водопоглащающей способности глины. Вторым по значимости выступает водородный показатель порового раствора (рН).
Фактор первого ранга. На рис. 4 приведены результаты электронной микроскопии, из которых видно, что при активации глин давлением при давлении 95-200 МПа наблюдаются процессы разрыва, скольжения, уплотнения и дробления частиц, что приводит к увеличению энергетической активности поверхности частиц (коллоидов, агрегатов) и как следствие к увеличению адсорбционной активности глины [21]. Полученные результаты согласуются с данными [22, 23].
а б
Рис. 4. Электронная микроскопия образца бентонитовой глины, активированной давлением (Р): а - 95 МПа; б - 200 МПа
Нарушение первичной структуры бентонитовой глины давлением (сколы, шероховатость поверхности частиц) приводит к увеличению количества энергетических центров на поверхности коллоидов. Так, при увеличении давления от 10 до 200 МПа шероховатость (R) поверхности частиц бентонитовой глины увеличивается с 20 до 120 нм, а сила адгезии (F), как показатель энергетической активности поверхности частиц, с 0,25 до 0,55 нН. Кроме того, процессы дробления вызывают также деформации частиц на уровне минералов и коллоидов, особенно ярко они проявляются в диапазоне давлений 95.200 МПа [5]. Деформации частиц, образованные за счет смещения пакетов между собой, увеличивают дефектность и как следствие увеличивают энергетический потенциал на поверхности коллоидов. Поэтому дзета-потенциал, как энергетический показатель коллоида, является ведущим фактором адсорбции глин.
Фактор второго ранга. В диапазоне давлений от 90 до 200 МПа установлен значительный вынос ионов Al+3 из октаэдрического листа минерала монтмориллонит в диффузный слой частиц [12], где ионы Al+3 связывают гидроксильные группы, а ионы водорода повышают кислотность порового раствора. В поровом растворе ионы водорода выступают в роли дополнительных энергетических центров. Поэтому показатель рН тоже оказывает важное влияние на формирование адсорбции глины.
Стадия раннего метагенеза (Р = 125.200 МПа). Эта стадия наряду со стадией позднего катагенеза является переходной между ката- и метагенезом. Поэтому происходит постепенная замена ведущего фактора
определяющего водопоглотительную способность глин от энергетического потенциала коллоида (стадия позднего катагенеза) к удельной поверхности мезопор и энергетического потенциала коллоида - дзета-потенциал (стадия раннего метагенеза).
Стадия среднего метагенеза (Р = 200...650МПа). На этой стадии показателем первого ранга является удельная поверхность мезопор. Результаты электронной микроскопии показывают, что с увеличением давления размер макро- и мезопор уменьшается (рис.2), что подтверждается данными низкотемпературной физической адсорбции газообразного азота в порах исследуемых материалов на анализаторе удельной поверхности ASAP 2020MP (Micrometrics, США) при температуре жидкого азота (минус 196 С). Так при давлении 150 МПа размер мезопор составляет 3,6 нм, а при давлении 650 МПа уменьшается до 3,1 нм. Уменьшение размера пор приводит к уменьшению их объема (V) с 0,094 см3/г до 0,082 см3/г и как следствие к увеличению удельной поверхности мезопор с 103,95 м2/г до 107,5 м2/г. Поэтому показатель характеризующий удельную поверхность мезопор оказывает, важное влияние на формирование адсорбции глин. Показатель второго ранга не выявлен.
Стадия позднего метагенеза (Р = 650.800 МПа). Фактор первого ранга удельная поверхность мезопор. На этой стадии литогенеза площадь удельной поверхности продолжает оказывать значительное влияние на формирование адсорбции глин. В диапазоне давлений 650... 800 МПа размер мезопор уменьшается с 3,1 нм 2,9 нм, а удельная поверхность мезопор увеличивается на 1м2/г. Фактор второго ранга является толщина бездефектного минерала (Мк). В работе [17] показано, что с увеличением давления толщина бездефектного минерала монтмориллонит изменяется с 75 до 69А, то есть энергетический потенциал поверхности минерала возрастает не значительно, но больше чем у других факторов. Поэтому Мк оказывает влияние на формирование адсорбции глины.
Заключение
Разработана методика оценки влияния состава и структуры на во-допоглотительную способность глин в динамике, в основу которой положен дискриминантный и многомерный пошаговый регрессионный анализ.
В результате исследований разработана модель водопоглотитель-ной (адсорбционной) активности глин на разных стадиях литогенеза. При катагенезе на водопоглотительную активность бентонитовой глины наибольшее влияние оказывает удельная поверхность микропор и энергетический потенциал поверхности коллоида, а при метагенезе удельная поверхность мезопор и энергетический потенциал поверхности минерала монтмориллонит.
Список литературы
1. Журавков М. А., Стагурова О. В. Напряженное состояние породного массива в окрестности разломов и магистральных трещин // Известия вузов. Горный журнал. 2002. №4. С. 12-20.
2. Осипов В. И., Соколов В. Н. Глины и их свойства. Состав, строение и формирование свойств. М.: ГЕОС, 2013. 576 с.
3. Исследование содержания галопелитов в пласте каменной соли Б-В Верхнекамского месторождения калийно-магниевых солей / В. И. Галкин [и др.] // Горная промышленность. 2022. № 4. С.103-108. doi.org/10.30686/1609-9192-2022-4-103-108.
4. Кудряшов А. И. Верхнекамское месторождение солей. 2-е изд., перераб. М.: Эпсилон Плюс, 2013. 368 с.
5. Seredin V., Andrianov A., Isaeva G. The Effect of High Pressure on the Kaolinite Structure // Lecture Notes in Networks and Systems. 2022. Т. 342 LNNS. P. 194-204. DOI: 10.1007/978-3-030-89477-1_19.
6. Changes of energy potential on clay particle surfaces at high pressures / V.V. Seredin [and others] // Applied Clay Science. 2018. V. 155. P. 8-14. DOI: 10.1016/j.clay.2017.12.042.
7. Вяхирев Н.П. Промежуточные формы в непрерывном ряду аморфное вещество - каолинит // Рентгенография минерального сырья: 1966. Вып. 5. С. 128-131.
8. Коровкин М.В. Инфракрасная спектроскопия карбонатных минералов: учеб. пособие. Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2012. 80 с.
9. Франк-Каменецкий В.А. Рентгенография основных типов породообразующих минералов (слоистые и каркасные силикаты). Л.: Недра, 1983. 359 с.
10. Беленький Д., Балаханов Д., Лесников Е. Определение дзета-потенциала. Краткий обзор основных методов // Аналитика. 2017. №3. С. 82- 89. DOI: 10.22184/2227-572X.2017.34.3.82.89.
11. Определение размеров частиц высокодисперсных материалов с помощью низкотемпературной адсорбции азота / А. В. Жилкина [и др.] // Журнал Физической химии 2013. Т.87. №4. С. 674-679. DOI: 10.7868/ S004445371304033X.
12. Середин В. В., Алванян К. А., Андрианов А. В. Влияние высоких давлений на изменение рН суспензий каолиновой и бентонитовой глин // Инженерная геология. 2020. Т. 15. № 2. С. 6-15. DOI: 10.25296/19935056-2020-15-2-6-15.
13. Котельников Д. Д., Конюхов А.И. Глинистые минералы осадочных пород. M.: Недра, 1986. 247 с.
14. Insights into the high-pressure behavior of kaolinite from infrared spectroscopy and quantum-mechanical calculations / M. D. Welch, W. Mont-
gomery, E. Balan, P. Lerch // Physics and Chemistry of Minerals. 2012. V. 39 P. 143-151.
15. Pressure dependence of the electronic structure in kaolinite: A first-principles study / Z.-J. Fang [and others] // Modern Physics Letters
B. 2017. V. 31. No 12. 1750194 (10).
16. Алванян К. А., Андрианов А. В., Селезнева Ю.Н. Закономерности изменения гранулометрического состава бентонитовой глины Зырянского месторождения, активированной давлением // Вестник Пермского университета. Геология. 2020. Т. 19. № 4. С. 380-387.
17. Середин В. В., Паршина Т. Ю., Исаева Г. А. К вопросу об оценке энергетического потенциала глинистых частиц // Вестник Пермского университета. 2017. Т.16. № 4. С. 320-331. DOI: 10.17072/psu.geol.16.4.370.
18. Effects of particle characteristics and consolidation pressure on the compaction of non-spherical particles minerals engineering / Y. He [and oth-ers]//Minerals Engineering. 2019. V. 137. P. 241-249.
19. Влияние давления на структуру каолинита в огнеупорных глинах Нижне-Увельского месторождения по данным ИК-спектроскопии О.С. Ситева [и др.] // Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов. 2020. Т. 331, № 6. С. 208-217. DOI: 10.18799/ 24131830/2020/6/2690.
20. Паршина Т.Ю. О влиянии давления на изменение микроагрегатного состава глин // Геология в развивающемся мире. Пермь, 2017. Т. 2.
C. 147-150.
21. Влияние давления на площадь активной поверхности частиц глинистых грунтов / В.В. Середин, А.В. Растегаев, Н. А. Медведева, Т.Ю. Паршина // Инженерная геология. 2017. №3. С. 18-27. DOI: 10.25296/19935056-2017-3-18-27.
22. Изменение сил адгезии на поверхности частиц при обработке монтмориллонитовой глины высоким давлением / М.В. Федоров [и др.] // Вестник ПНИПУ. Геология. Нефтегазовое и горное дело. 2019. Т.19. №1. С.26-38. DOI: 10.15593/2224-9923/2019.1.3.
23. Fyodorov, M.V., Seredin, V.V., Lunegov, I.V. Concerning Adsorption of Clays Subjected by Heat and Chemical Activation // Lecture Notes in Networks and Systems. 2022. 342 LNNS. P. 236-244.
Галкин Владислав Игнатьевич, д-р геол.-мин. наук, проф., зав. кафедрой, [email protected], Россия, Пермь, Пермский национальный исследовательский политехнический университет,
Середин Валерий Викторович, д-р геол.-мин. наук, проф., зав. кафедрой, seredm@,mdm.perm.ru, Россия, Пермь, Пермский государственный национальный исследовательский университет,
Алванян Карине Антоновна, канд. геол.-мин. наук, доцент, [email protected], Россия, Пермь, Пермский государственный национальный исследовательский университет,
Гайнанов Шарибзан Хатинович, канд. геол.-мин. наук, доцент, доцент, [email protected], Россия, Пермь, Пермский государственный национальный исследовательский университет
MODELING THE ADSORPTION ABILITY OF CLAYS AT THE STAGES
OF LITHOGENESIS
V.I. Galkin, V. V. Seredin, K.A. Alvanyan, M.R. Yadzinskaya, Sh.Kh. Gainanov
Clays are one of the most important minerals, they are widely used in industry. The development of mineral deposits by open or underground methods is carried out mainly at depths of up to 10 - 1000 m. Clay rocks (layers, layers and interlayers) of different genesis, located in the array of preparatory and mining workings (roof, soil and sides) or in the sides of quarries, have a significant impact on the stability of mine workings. Especially great influence on the safety of mining operations is exerted by clays subjected to technogenic impact, primarily by aqueous solutions and water vapor during open and underground mining of mineral deposits.
During the development of mineral deposits, the clays that make up the exposed massifs have a very great influence on the stability of mine workings. The strength characteristics of clay rocks are largely determined by the degree of their water saturation. To develop technologies for increasing the strength properties of clay interlayers, it is necessary to study the effect of the composition and structure of clays formed at different stages of lithogenesis, as well as their adsorption (water absorption) capacity.
Key words: bentonite clay, clay structure, zeta potential, adsorption, discriminant analysis, multivariate regression analysis.
Galkin Vladislav Ignatievich, doctor of geological sciences, professor, head of chair, [email protected], Russia, Perm, Perm State National Research Polytechnic University,
Seredin Valery Viktorovich, doctor of geological sciences, professor, head of chair, [email protected], Russia, Perm, Perm State National Research University,
Alvanian Karine Antonovna, cand. sc., associate professor, [email protected], Russia, Perm, Perm State National Research University,
Gainanov Sharibzan Khatinovich, cand. sc., associate professor, [email protected], Russia, Perm, Perm State National Research University
Reference
1. Zhuravkov M. A., Stagurova O. V. The stressed state of the native massif in the vicinity of faults and main cracks // Izvestiya VUZov. Mining magazine. 2002. No. 4. pp. 1220.
2. Osipov V. I., Sokolov V. N. Clays and their properties. Composition, structure and formation of properties. Moscow: GEOS, 2013. 576 p.
3. Investigation of the content of halopelites in the rock salt plate B-In the Verkh-nekamsk metro of potassium-magnesium salt / V. I. Galkin [et al.] // Mining industry. 2022. No. 4. pp.103-108. doi.org/10.30686/1609-9192-2022-4-103-108 .
4. Kudryashov A. I. Verkhnekamskoye salt deposit. 2nd ed., pererab. M.: Epsilon Plus, 2013. 368 p.
5. Seredin V., Andrianov A., Isaeva G. The influence of high pressure on the structure of kaolinite // Lecture notes on networks and systems. 2022. Vol. 342 LNNS. pp. 194204. DOI: 10.1007/978-3-030-89477-1_19.
6. Change in the energy potential on the surface of clay particles at high pressures / V.V. Seredin [et al.] // Applied science of clay. 2018. vol. 155. pp. 8-14. DOI: 10.1016/j.clay.2017.12.042.
7. Vyakhirev N.P. Intermediate forms in a continuous series of amorphous substance - kaolinite // Radiography of mineral raw materials: 1966. Issue 5. pp. 128-131.
8. Korovkin M.V. Infrared spectroscopy of carbonate minerals: textbook. Tomsk: Publishing House of Tomsk Polytechnic University, 2012. 80 p.
9. Frank-Kamenetsky V.A. Radiography of the main types of rock-forming minerals (layered and skeleton silicates). L.: Nedra, 1983. 359 p.
10. Belenky D., Balakhanov D., Lesnikov E. Determination of the zeta potential. A brief overview of the main methods // Analytics. 2017. No.3. pp. 82- 89. DOI: 10.22184/2227-572X.2017.34.3.82.89.
11. Determination of particle sizes of highly dispersed materials using low-temperature nitrogen adsorption / A.V. Zhilkina [et al.] // Journal of Physical Chemistry 2013. Vol.87. No. 4. pp. 674-679. DOI: 10.7868/S004445371304033X.
12. Seredin V. V., Alvanyan K. A., Andrianov A.V. Influence of high pressures on the pH change of kaolin and bentonite clay suspensions // Engineering geology. 2020. Vol. 15. No. 2. pp. 6-15. DOI: 10.25296/1993-5056-2020-15-2-6-15.
13. Kotelnikov D. D., Konev A.I. Clay minerals as a finishing product. M.: Nedra, 1986. 247 p.
14. Understanding the behavior of kaolinite at high pressure using infrared spectros-copy and quantum mechanical calculations / M. D. Welch, W. Montgomery, E. Balan, P. Lurch // Physics and Chemistry of minerals. 2012. Vol. 39, pp. 143-151.
15. The dependence of the electronic structure of kaolinite on pressure: a study of the first principles / Z.-J. Fang [et al.] // Letters of modern physics B. 2017. V. 31. № 12. 1750194 (10).
16. Alvanyan K. A., Andrianov A.V., Selezneva Yu.N. Laws of changing the granu-lometric composition of bentonite clay of the Zyransky deposit activated by pressure // Bulletin of Perm University. Geology. 2020. Vol. 19. No. 4. pp. 380-387.
17. Seredin V. V., Parshina T. Yu., Isaeva G. A. On the issue of assessing the energy potential of clay particles // Bulletin of Perm University. 2017. Vol.16. No. 4. pp. 320-331. DOI: 10.17072/psu.geol.16.4.370.
18. Influence of particle characteristics and compaction pressure on the compaction of non-spherical particles minerals engineering / Yu. He [et al.]// Minerals Engineering. 2019. Vol. 137. pp. 241-249.
19. The influence of pressure on the structure of kaolinite in refractory clays of the Nizhne-Uvelskoye deposit according to the IR spectroscopy data of O.S. Sitev [et al.] // Izvestiya Tomsk Polytechnic University. Georesource engineering. 2020. Vol. 331, No. 6. pp. 208-217. DOI: 10.18799/ 24131830/2020/6/2690.
20. Parshina T.Yu. On the influence of pressure on the change in the microagreate composition of clays // Geology in the developing world. Perm. 2017. Vol. 2. pp. 147-150.
21. Influence of pressure on the active surface area of clay soil particles / V.V. Seredin, A.V. Rastegaev, N. A. Medvedeva, T.Y. Parshina // Engineering geology. 2017. No.3. pp. 18-27. DOI: 10.25296/1993-5056-2017-3-18-27.
22. Change of adhesion forces on the surface of particles when processing montmo-rillonite clay with high pressure / M.V. Fedorov [et al.] // Bulletin of PNRPU. Geology. Oil and gas and mining. 2019. Vol.19. No. 1. pp.26-38. DOI: 10.15593/2224-9923/2019.1.3.
23. Fedorov M.V., Seredin V.V., Lunegov I.V. On adsorption of clays subjected to thermal and chemical activation // Lecture notes in networks and systems. 2022. 342 LNNS. pp. 236-244.
УДК 622.235.53
ВЛИЯНИЕ РЕЛЬЕФА НА УДАРНО-ВОЗДУШНЫЙ ВОЛНОВОЙ ЭФФЕКТ ПРИ ВЗРЫВНЫХ РАБОТАХ В КАРЬЕРЕ
Д.В. Доможиров, В.Х. Пергамент, А.А. Полинов, И.А. Пыталев
Неоднородность рельефа поверхности расположения основных горнотехнических сооружений при ведении взрывных работ приводит к усилению воздействия УВВ эффекта на прилегающие к карьерному полю охраняемые объекты. Предложена поправка, учитывающая объем фактически охватываемого возмущения на расстоянии (r, м) по сравнению с охваченным им возмущением за счет неоднородности рельефа на пути распространения УВВ. Представлены соотношения поправок на рельеф в зависимости от типа неоднородности и места его расположения относительно охраняемого объекта. Методы исследования: аналитические оценки и экспериментальные исследования УВВ возмущений взрывов контактных и заглубленных зарядов на открытых горных работах; геометрическое моделирование фактически охваченного объема возмущения на пути распространения УВВ за счет неоднородности рельефа при взрыве накладного эквивалентного заряда.
Ключевые слова: ударно-воздушная волна, рельеф поверхности, поправка на рельеф, приведенное расстояние, накладной эквивалентный заряд.
В настоящее время многие горнодобывающие предприятия ведут горные работы, разрабатывая одновременно несколько участков карьерного поля на ограниченной территории земельного отвода, образуя при этом искусственные преграды, в том числе и имеющиеся внешние отвалы. Морфологические особенности рельефа инфраструктуры предъявляют определенные требования к ведению массовых взрывов с точки зрения ударной воздушно-волновой безопасности [1]. Аналогичная картина наблюдается и при отработке нагорных месторождений открытым способом [2]. Известно, что на ударно-воздушный волновой (УВВ) эффект особое влияние оказывают состояние проводящей среды и ограничивающие факторы: плотность, температура, давление и влажность атмосферы, низкая облачность, которые непрерывно изменяются во времени и в пространстве. Как показывает теория и практика, начиная с определенных расстояний, погодные условия влияют на интенсивность слабых УВВ. Случаи аномальных больших зон действия УВВ при взрывах в неблагоприятных
