Определение физико-механических свойств водонасыщенных высокоглинистых золотосодержащих песков россыпей при ультразвуковой дезинтеграции Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

© Ю.А. Мамаев, Н.П. Хрунина, 2012

УДК 622.271.1; 622.236.73 Ю.А. Мамаев, Н.П. Хрунина

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ВОДОНАСЫЩЕННЫХ ВЫСОКОГЛИНИСТЫХ ЗОЛОТОСОДЕРЖАЩИХ ПЕСКОВ РОССЫПЕЙ ПРИ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ДЕЗИНТЕГРАЦИИ

Рассмотрен один из подходов к обоснованию ультразвукового воздействия на водона-сышенные высокоглинистые пески при открытой разработке золотосодержащих россыпей. Экспериментальным и аналитическим путями установлены основные физико-механические характеристики водонасышенных высокоглинистых песков. Ключевые слова: модули сдвига, растяжения, сжатия, скорость ультразвука.

Л ля исследованных золотоносных россыпей с весьма высоким содержанием мелкого золота, как правило, характерно повышенное содержание глин и илов. Это объясняет необходимость вести поиск новых нетрадиционных методов решения задачи эффективного разупрочнения и дезинтеграции высокоглинистых песков россыпей. При этом эффективность зависит от физических параметров инициирования процесса, физико-механических и структурно-механических свойств и состояния песков. Процесс разрушения жестких структурных связей между частицами водонасышенных высокоглинистых песков под воздействием ультразвука при прочих равных условиях протекает более результативно, чем в не-водонасышенных. При этом рациональный уровень параметров ультразвуковых колебаний предопределяется объемным содержанием воды в высокоглинистых песках, усредненной равновесной плотностью, сжимаемостью среды и скоростью распространения ультразвука в ней [1, 2]. Установление физико-механических свойств водонасышенных песков по-

зволит полнее раскрыть механизм ультразвуковой дезинтеграции.

Процесс последовательного распространения деформации в однородной среде посредством упругой ультразвуковой волны осушествляется в радиальном направлении от источника колебаний. Скорость распространения упругой волны по ходу луча зависит от упругих свойств и плотности среды, а также от типа волны. Установление экспериментальным путем значений скорости ультразвука в продольной волне, плотности, пластичности в образцах неводонасы-шенных высокоглинистых песков и их водонасышенности позволило определить прочностные свойства песков в водонасышенном состоянии: модуль сдвига р (вторая константа Лямэ), модуль продольного растяжения Е (модуль Юнга) и коэффициент поперечного сжатия V (коэффициент Пуассона).

Скорость продольных ультразвуковых волн V при равновесном эффективном значении плотности определялась из выражения [3, 4]

Э V Рэ • вэ

Рис. 1. Зависимости средних значений скорости ультразвука от равновесного значения волнового сопротивления С при равновесном эквивалентном значении плотности водонасыщенных золотосодержащих песков для продольных волн перемещения: 1, 2 - при пористости песков 26 % и среднем содержании воды 15 и 1,5 %, соответственно; 3, 4 - при пористости песков 33 % и среднем содержании воды 25 и 3 %, соответственно; 5, 6 - при пористости песков 40 % и среднем содержании воды 30 и 4 %, соответственно

или

К2 =

1

(

4-1

- + -

• с„

(1)

Р э V Рв • Св Рш ""т У

где рэ - эквивалентная плотность водонасыщенных золотосодержащих песков с учетом их пористости и во-допоглощения; рв, рт - плотность воды и вещества скелета при равновесном значении давления, соответственно; св, ст - скорость продольных ультразвуковых волн в воде и сухом образце при равновесном значении давления, соответственно; ав и ат - объемное содержание в водонасыщенных песках воды и вещества скелета, соответственно; рэ - эффективная сжимаемость самих водонасыщенных песков (с водно-коллоидной составляющей).

По формуле (1) определены средние значения скорости ультразвука V в продольной волне водонасыщенных

золотосодержащих песков при пористости 26, 33, 40 %. На рис. 1 показаны зависимости полученных значений скорости ультразвука Vэ от волнового сопротивления £ при равновесном эквивалентном значении плотности во-донасыщенных золотосодержащих песков.

При максимальном водонасыще-нии скорость ультразвука в слабопластичных песках по сравнению с высокопластичными песками изменяется не так значительно - от 1,63-103 до 1,76-103 м/с. При минимальном во-донасыщении от 1,5 до 4 % скорость ультразвука меняется значительно, при этом для слабопластичных песков минимальное ее значение достигает 1,92-103 м/с, а максимальное значение скорости V для высокопластичных песков составляет 2,84-103 м/с.

Рис. 2. Зависимости средних значений модуля Юнга Е от равновесного значения волнового сопротивления С водонасышенных золотосодержащих песков россыпей: а - при пористости песков 26 % и среднем содержании воды 15 % (1) и 1,5 % (2); б - при пористости - 33 % и среднем содержании воды 25 % (1) и 3 % (2); в - при пористости - 40 % и среднем содержании воды 30 % (1) и 4 % (2); *- значение модудя Юнга Е сдабопдастичных песков, ** - значения модудя Юнга Е высо-копдастичных песков

По формуле [5]

X

V =-,

2(X + р)

где X - первая константа Лямэ, проведен расчет коэффициента Пуассона V, который, согласно полученным данным, почти не зависит от водона-сыщения, изменяясь на незначительную величину четвертого и пятого порядка малости, и составляет 0,25 Па или 25-10"8 МПа.

На рис. 2 и 3 показаны зависимости модуля Юнга Е и модуля сдвига л от равновесного значения волнового сопротивления Z водонасыщенных песков при установленном среднем содержании воды и пористости 26, 33, 40 %, соответственно.

Модуль продольного растяжения Е при увеличении пористости (от 26 до 40 %) и максимальном водонасыше-нии высокоглинистых песков (от 15 до 30 %) изменяется не значительно и достигает своего максимального значения - 6,38 Па при пористости 26 % и среднем содержании воды 15 %, при этом самое минимальное значение модуль Е имеет у слабопластичных песков и становится равным 3,1 Па (кривые 1 на рис. 2 а, б, в).

Модуль Юнга при минимальном водонасышении (1,5 %) и минимальной пористости 26 % достигает своего максимального значения 12,93 Па (кривые 2 на рис.2 а, б, в), а при пористости 40 % и среднем содержании воды 30 % модуль

Рис. 3. Зависимости средних значений модуля сдвига р от равновесного значения волнового сопротивления С водонасышенных золотосодержащих песков россыпей: 1, 2 - при пористости песков 26 % и среднем содержании воды 15 % и 1,5 %, соответственно; 3, 4 - при пористости - 33 % и среднем содержании воды 25 % и 3 %, соответственно; 5, 6 - при пористости - 40 % и среднем содержании воды 30 % и 4 %, соответственно; * - значение модуля сдвига слабопластичных песков, ** - значения модуля сдвига высокопластичных песков

Е достигает минимальной величины - 3,1 Па.

Модуль сдвига ^ при увеличении пористости (от 26 до 40 %) и максимальном водонасыщении высокоглинистых песков (от 15 до 30 %) изменяется не значительно и имеет минимальный разброс для слабопластичных и высокопластичных высокоглинистых песков россыпей (кривые 1, 3, 5 на рис. 3). При тех же изменениях пористости и минимальном содержании воды (от 1,5 до 4 %) у слабопластичных песков по сравнению с высокопластичными песками значения модуля сдвига изменяются значительно (кривые 2, 4, 6 на рис. 3). Модуль сдвига, как и модуль Юнга, достигает своего максимального значения при минимальной пористости 26 % и минимальном содержании воды 1,5 %, а достижение

минимального значения ц происходит при максимальной пористости 40 % и максимальном значении содержания воды 30 %. Это позволяет оценить эффективность применения ультразвуковой дезинтеграции высокоглинистых песков с учетом во-донасыщения.

Выводы

1. На основе экспериментальных исследований и аналитических расчетов установлены основные физико-механические свойства золотосодержащих высокоглинистых песков в зависимости от уровней их волнового сопротивления и водонасыщения. Это позволяет оценить эффективность применения нетрадиционных методов дезинтеграции высокоглинистых песков в более водонасыщенном состоянии.

2. В высокопластичных водо-насышенных высокоглинистых золо-тосодержаших песках скорость ультразвука при максимальном во-донасышении (40 %) снижается по сравнению со слабонасышенными водой песками (1,5 %) в 1,6 раза, а в слабопластичных водонасышен-ных песках снижение скорости ультразвука при тех же параметрах водонасышения происходит в 1,2 раза.

3. Модуль Юнга сушественно зависит от водонасышения и при максимальном водонасышении слабопластичных песков уменьшается не зна-

1.Мамаев Ю.А., Хрунина Н.П. Опре-дедение оптимадьных начадьных параметров звукового воздействия на пудьпу в зумпфовом накопитеде при открытой разработке высокогдинистых россыпей // Горный информационно-анадити-ческий бюддетень: сб. науч. тр. - 2009. - № 7. - С. 187-191.

2.Мамаев Ю.А., Хрунина Н.П. Опреде-дение оптимадьных начадьных параметров звукового воздействия на пудьпу в зумпфо-вом накопитеде при открытой разработке

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -

чительно, а при максимальном водонасышении высокопластичных

песков уменьшается на величину -более 1,5 раз.

4. Модуль сдвига (вторая константа Лямэ) при максимальном водонасышении имеет разброс для высокопластичных песков в гораздо больших пределах, чем для слабопластичных песков; при минимальном водонасышении разница значений модуля сдвига у высокопластичных песков по сравнению со слабопластичными песками увеличивается более 2,5 раз.

- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

высокоглинистых россыпей. Горный информационно-аналитический бюллетень: сб. науч. тр. - 2009. - № 7. - С. 187-191.

3.Гальперин A.M. Геомеханика открытых горных работ:- М.: Изд-во МГГУ, 2003. - 473 с.

4. Цытович H.A. Механика грунтов. -М.: Высшая школа, 1983.

5. Агранат Б.А., Башкиров В.И., Китайгородский Ю.И., Хавский H.H. Ультразвуковая технология. - М.: Металлургия, 1974.

шна

Мамаев Юрий Алексеевич - профессор, доктор технических наук, гд. научный сотрудник, Хрунина Наталья Петровна - научный сотрудник, npetх@mail.ru Институт горного деда ДВО РАН.

д

- РАЗМЫШЛЕНИЯ И ДИАЛОГИ

- В чем счастье ученого?

- Ученым много не надо. Они счастдивы, когда могут дедать что нравится, говорить что думают и пубдиковать свои мысди, а не выподнять чужие приказы.