Натурно-полевые методы исследования прочностных свойств горных пород и породных контактов Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

УДК 622.1:622.271

НАТУРНО-ПОЛЕВЫЕ МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЧНОСТНЫХ СВОЙСТВ ГОРНЫХ ПОРОД И ПОРОДНЫХ КОНТАКТОВ

Фарит Камалович Низаметдинов

Карагандинский государственный технический университет, 100027, Республика Казахстан, г. Караганда, Бульвар Мира, 56, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой маркшейдерского дела и геодезии, тел. (7212)56-26-27, e-mail: mdig_kstu@mail.ru

Ринат Фаритович Низаметдинов

Карагандинский государственный технический университет, 100027, Республика Казахстан, г. Караганда, Бульвар Мира, 56, кандидат технических наук, старший преподаватель кафедры маркшейдерского дела и геодезии, тел. (7212) 56-26-27, e-mail: niz36@mail.ru

Алексей Александрович Нагибин

Карагандинский государственный технический университет, 100027, Республика Казахстан, г. Караганда, Бульвар Мира, 56, магистр технических наук, преподаватель кафедры маркшейдерского дела и геодезии, тел. (7212)56-26-27, e-mail: alex_e1@mail.ru

Айжан Ерболовна Касымжанова

Карагандинский государственный технический университет, 100027, Республика Казахстан, г. Караганда, Бульвар Мира, 56, магистрант кафедры маркшейдерского дела и геодезии, тел. (7212)56-26-27, e-mail: aizhan_kasymzhanova@mail.ru

Раушан Нуркатовна Джамантыкова

Карагандинский государственный технический университет, 100027, Республика Казахстан, г. Караганда, Бульвар Мира, 56, магистр технических наук, старший преподаватель кафедры маркшейдерского дела и геодезии, тел. (7212)56-26-27, e-mail: alex_e1@mail.ru

В статье предложен и апробирован натурно-полевой метод исследования прочностных свойств горных пород и породных контактов на основе совершенствования полевых устройств для нарезки и сдвига породных призм.

Ключевые слова: натурные испытания прочности, породные призмы, породные контакты, усилие сдвига.

IN-SITU TECHNIQUES OF ROCK AND ROCK CONTACTS STRENGTH PROPERTIES TESTING

Farit K. Nizametdinov

Karaganda state technical university, 100027, Kazakhstan Republic, Karaganda, 56 Mira Bl., Head of «Mine surveying and geodesy» department, doc. of tech. sci., prof., tel. (7212)56-26-27, e-mail: mdig_kstu@mail.ru

Rinat F. Nizametdinov

Karaganda state technical university, 100027, Kazakhstan Republic, Karaganda, 56 Mira Bl., Senior teacher of «Mine surveying and geodesy» department, cand. of tech. sci., tel. (7212)56-26-27, e-mail: niz36@mail.ru

Alexey A. Nagibin

Karaganda state technical university, 100027, Kazakhstan Republic, Karaganda, 56 Mira Bl., teacher of Mine surveying and geodesy department, M. Sc., tel. (7212)41-11-88, e-mail: alex_e1@mail.ru

Ayzhan Ye. Kasymzhanova

Karaganda state technical university, 100027, Kazakhstan Republic, Karaganda, 56 Mira Bl., postgrad. Stud. of Mine surveying and geodesy dep-t, tel. (7212)56-26-27, e-mail: aizhan_kasymzhanova@mail.ru

Raushan N. Dzhamantykova

Karaganda state technical university, 100027, Kazakhstan Republic, Karaganda, 56 Mira Bl., senior teacher of Mine surveying and geodesy department, tel. (7212)56-26-27, e-mail: d.rau@mail.ru

In article the method of in-situ strength properties testing of rocks and contacts on the basis of perfecting of field devices for cutting and shifting of rock prisms is offered and approved.

Key words: is-situ strength testing, rock prisms, rock contacts, shearing strain.

Рациональная разработка месторождений полезных ископаемых открытым способом предполагает полноту извлечения запасов при выполнении минимальных объемов вскрышных работ на основе надежного геомеханического обоснования устойчивости откосов уступов и бортов карьеров. При этом основной исходной информацией являются геологическая изученность месторождения, достоверность определения прочностных свойств горных пород и породных контактов, а также элементов залегания структурных особенностей горного массива и трещиноватости горных пород. Основные прочностные характеристики горных пород, используемые при оценке устойчивости карьерных откосов являются: плотность у, сопротивление на сжатие асж и разрыв ар, сцепление к и угол внутреннего трения р, а также породных контактов: сцепление К' и угол трения р' [1,2]. Наиболее достоверные значения прочностных характеристик пород находятся в натурных условиях при проведении испытаний породных призм, нарезанных непосредственно в массиве. На практике используются различные схемы натурных испытаний породных призм на сдвиг с использованием систем гидродомкратов (гидроподушек) [2]. Процесс нарезки призм осуществляется с помощью штыковых лопат, долотьев, перфораторов, буровых станков и зависит от типа испытываемых пород. Сдвиг подготовленной породной призмы производится оттарированным гидродомкратом. При сдвиге породной призмы по манометру гидродомкрата фиксируют максимальное усилие Qmax, возникающее при срезе, и минимальное Qmi„, при её перемещении по поверхности сдвига. Замер линейных и угловых параметров призмы производится рулеткой и горным компасом.

При обработке результатов испытаний породных призм вычисляется площадь поверхности среза S, фактическое сдвигающее усилие Qmax и Qmin

через коэффициент тарировки гидродомкрата и массу срезанной породной призмы Р. Используя полученные данные полевых измерений и вычислений, находят касательные т и нормальные а напряжения и производят построение паспорта прочности пород, откуда графически определяют сцепление к и угол внутреннего трения р [2].

Схема испытаний породных призм путем плоского среза используется при нарезке призм в карьере на берме с оконтуриванием её с четырёх сторон. При этом происходит плоский срез породной призмы, а возникающие напряжения вычисляются по формулам:

Р О

а = р; т = (1)

где Р - вес призмы, кг;

5 - площадь поверхности сдвига, м2;

Отах - максимальное сдвигающее усилие, Н.

ПЛАН А-А

Рис. 1. Схема натурных испытаний породных призм путем

плоского среза

При этом сцепление породы может быть вычислено как

К = 0тах ^ОтЛ, (2)

а угол внутреннего трения по формуле:

^р=. (3)

Для определения прочностных свойств горных пород были проведены натурные испытания породных призм на срез на высокогорном карьере «Бозымчак», расположенном в Киргизии на высоте 2400м. В геологическом отношении он представлен гранодиоритами, мраморизованными известняками,

скарнами и серпентинитами рудной зоны. Месторождение подвержено шестью различного рода разрывными разломами (западный, центральный, продольный, широтный, восточный и штольневый).

Для проведения испытаний была собрана специальная сдвиговая конструкция, включающая 40 тонный гидравлический домкрат, помещенный в металлическую обойму (кожух) с наличием крепёжных болтов и сдвигающих металлических плит (рис. 2, а). При этом для создания сдвигающего усилия в гидродомкрат использовалась электрическая маслостанция (рис. 2, б). Нарезка породных призм в гранодиоритах и мраморизованных известняках осуществлялась буровым станком.

Подготовленная породная призма для сдвига приведена на рис. 2, в.

металлические пластины

Рис. 2. Натурно-полевой комплекс для испытания пород на сдвиг:

а - сдвигающая установка: гидродомкрат, металлический кожух и упорные металлические пластины; б - электрическая маслостанция; в - породная призма до

сдвига; г - схема подготовленной призмы

Параметры, подготовленных и сдвинутых породных призм на карьере «Бозымчак», сведены в табл. 1, где приведены результаты расчетов величин сцепления.

Таблица 1

Результаты сдвига породных призм на карьере

Тип породы Параметры сдвинутой призмы, м Площадь среза после сдвига, м2 Объем призмы, 3 м Показание манометра, кгс/см2 Угол внут-ренне-го трения, град. Сцепление, МПа

высота ширина длина Вес призмы, т Усилие сдвига, т

Мраморизо ванный известняк 0,412 0,50 0,66 0,330 0,136 250 25 1,17

0,3875 38,709

Гранодиор ит 0,425 0,55 0,900 0,504 0,214 122 25 0,36

0,6142 18,886

При проведении натурных испытаний породных призм в крепких породах (гранодиоритах и мраморизованных известняках) обнаружилась проблема в подготовке породных призм. Следовало бы вначале выполнить оконтуривание самой породной призмы с помощью мелкошпурового перфоратора или осуществлять нарезку её алмазным диском, а затем уже продолжить оконтуривание призмы с внешней стороны буровым станком. Полученные значения сцепления пород (таблица 1) отражают комбинированное состояние породной призмы. Они учитывают наличие в породной призме трещин и массивной части.

Величины сцепления и углов трения по контактам слоев и трещинам некоторых пород, согласно исследований многий авторов обобщены и сведены в таблицу 4. Как видно из анализа таблицы 4 можно сделать вывод, что в дальнейшем при анализе типовых расчетных схем по оценке устойчивости анизотропных откосов можно принимать диапазоны изменения прочностных величин контактов пород: сцепление к от 0,01 до 0,10 МПа, а угол трения р от 100-300.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Фисенко Г.Л. Устойчивость бортов карьеров и отвалов. М., 1965. 378 с.

2. Попов И.И., Низаметдинов Ф.К., Окатов Р.П., Долгоносов В.Н. Природные и техногенные основы управления устойчивостью уступов и бортов карьеров. - Алматы: Гылым, 1997. - 216 с.

© Ф. К. Низаметдинов, Р. Ф. Низаметдинов, А. А. Нагибин, А. Е. Касымжанова, Р. Н. Джамантыкова, 2015