CC BY
3
39. Trapping of gas bubbles in water at a finite distance below a water-solid interface / V. Esteso [and others] // Langmuir: the acs journal of surfaces and colloids. 2019. Vol. 35. N 12. P. 4218-4223.
40. Interfacial Water at Hydrophobic and Hydrophilic Surfaces: slip, viscosity, and diffusion / C. Sendner, D. Horinek, L. Bocquet, R.R. Netz // Langmuir. 2009. Vol. 25(18). P. 10768-10781.
41. Interfacial water stucture and the wetting of mineral surfaces / J.D. Miller, X. J. Wang, Jin, K. Shrimali // International Journal of Mineral Pro-cessing. 2016. Vol. 156. P. 6268
42. Pan L., Jung S., Yoon R.-H. A fundamental study on the role of collector in the kinetics of bubble-particle interaction // International Journal of Mineral Processing. 2012. Vol. 106-109. P. 37-41.
43. Wang J., Yoon R.-H., Morris J. AFM surface force measurements conducted between gold surfaces treated in xanthate solutions // International Journal of Mineral Processing. 2013. Vol. 122. P. 13-21.
44. Somephysicochemical aspects of water-soluble mineral flotation / Z. Wu, X. Wang, H. Liu, H. Zhang, J.D. Miller // Advances in Colloid and Inter-face Science. 2016. Vol. 235.P. 190-200.
45. EvdokimovS.I., Gerasimenko.E. Determination of rational steam consumption during flotation of apatite-nepheline ores by steam-air mixture // Notes of the Mining Institute. 2022. T. 256. pp. 567-578.
46. Evdokimov S.I., Gerasimenko T.E. Development of the flotation regime of gold-bearing ores with a mixture of air with water vapor // Physico-technical problems of mineral development. 2021. No. 2. pp. 162-177.
УДК 614.8.027:631(470.345)
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПРОЧНОСТНЫХ СВОЙСТВ СЛОИСТЫХ ОБРАЗЦОВ, ЗГОТОВЛЕННЫХ МЕТОДОМ СПЛОШНОЙ ЗАЛИВКИ
А. А. Ударцев, А.А. Асанов
Представлены результаты лабораторных исследований по определению прочностных свойств слоистых образцов при одноосном сжатии, изготовленных из песча-но-цементной смеси методом «сплошной заливки».
Ключевые слова: цементно-песчаные слоистые образцы, ослабленный слой, одноосное сжатие, предел прочности, разрушающая деформация.
Выемка полезного ископаемого на Верхнекамском месторождении калийно-магниевых солей ведется с помощью камерной системы разработки, с естественным поддержанием очистного пространства при помощи поддерживающих междукамерных целиков. Эффективность и безопасность отработки месторождений таким способом зависит от правильно выбранных параметров систем разработки, включающих размеры камер и междукамерных целиков. Выбор параметров, в частности размер междукамерных целиков, основывается на оценке их несущей способности, ко-
торая зависит от многих горно-геологических факторов. Одним из таких факторов, влияющих на несущую способность поддерживающих элементов камерной системы разработки, является неоднородность строения. При оценке неоднородности строения, помимо учета влияния глинистых прослоек, учитывается влияние разнопрочных слоев, слагающих междукамерные целики. Одними из первых авторов, занимающихся вопросами, связанными с оценкой неоднородности строения междукамерных целиков были такие отечественные исследователи как Кузнецов Г.Н., Бублик Ф.П., Слесарев В.Д., Раденко Е.С. [1-4] и др. Из зарубежных авторов можно отметить Tziallas G.P., Liang W. [5, 6] и др. В действующих «Указаниях...» [7] влияние разнопрочных слоев оценивается с помощью расчета эквивалентной (приведенной) прочности. Для расчета эквивалентной прочности применяется формула средней гармонической взвешенной, с использованием экспериментальных данных прочности слоев, определенных в лабораторных условиях при сжатии стандартных образцов.
Невзирая на длительное использование формулы гармонического средневзвешенного при определении эквивалентной прочности, достаточно актуальным является вопрос проведения сопоставительных исследований определяющих объективность использования данной зависимости. С этой целью были проведены модельные лабораторные испытания на искусственных образцах, состоящих из слоев различной прочности.
Определение эквивалентной прочности на соляных образцах в лабораторных условиях довольно трудная задача, так как изготовить слоистые образцы из породного монолита в достаточном количестве, с определенным соотношением слоев и с одинаковыми прочностными свойствами практически не возможно. В этой связи была разработана методика изготовления слоистых и однородных цементных образцов методом «сплошной заливки» с отношением высоты к ширине равным 2, которая позволяет получать слоистые образцы с различными прочностными показателями, в зависимости от соотношения песка и цемента, а так же возможностью варьировать размерами слоев. Для получения составных образцов изготавливалась деревянная форма, размером 300х300х100 мм, с установленными в ней пластиковыми вставками различного размера.
Методика изготовления слоистых образцов состояла в следующем.
1. На весах модели «ХЕ 6000 взвешивалось определенное количество просеянного песка и цемента с точностью ± 1 г, крупность песка соответствовала классу 0,25-1,0, марка цемента ПЦ 400-Д20.
2. Оба компонента высыпались в емкость, где происходило их смешивание, затем небольшими пропорциями в емкость добавлялась вода и с периодичным перемешиванием получалась однородная масса.
3. Полученной песчано-цементной массой заполнялся верхний слой деревянной формы, нижний слой был заполнен пластиковыми вставками
различной высоты. По истечении некоторого времени происходило схватывание первого слоя.
4. После твердения верхнего слоя блок переворачивался, извлекались пластиковые вставки, готовилась вторая партия песчано-цементной смеси. Партии отличались различным соотношением песка и цемента, от 3/1 до 6/1, что соответствовало прочному и слабому слою.
5. Изготовленная вторая партия смеси заполняла оставшийся объем в разборной форме, вместо извлеченных пластиковых вставок. Для визуального отличия слоев в составных образцах, в одну из приготовленных смесей (слабый слой) добавлялся краситель.
6. Для стабилизации прочностных показателей заполненная це-ментно-песчаной смесью форма "выдерживалась" в течении месяца, после чего разбиралась.
7. С помощью дискового отрезного станка без применения промывочной жидкости изготовленный песчано-цементный блок распиливался на образцы размером 50*50*100 мм. Полученный блок позволял изготовить 24 составных образца и 12 эталонных по 6 для каждого слоя.
По вышеизложенной методике изготавливались неоднородные блоки с двухслойными слоистыми образцами. Общее количество изготовленных блоков составило 3 шт.
С целью более детального изучения влияния слоистости на прочность составных образцов, увеличивалось количество разнопрочных слоев в блоке, для этого была изготовлена деревянная форма с размером основания 400х300 мм и высотой 100 мм. Фотография формы с извлекаемыми пластиковыми вставками представлена на рис. 1. Изготовленный блок позволял выпилить 36 составных образцов и 12 эталонных по 6 для каждого ряда. Дополнительно в новой деревянной форме было изготовлено 2 блока. В совокупности общее количество изготовленных двухслойных образцов из двух форм составило более 200 шт.
Рис. 1. Деревянная форма для заливки блоков размером 400х300х100 мм с извлекаемыми пластиковыми вставками
В целях создания плоского основания на торцах образца перед распиловкой блок выравнивался гипсовой замазкой. Пример изготовленного
блока с основание 300x300 мм и нарезанными образцами приведен на рис. 2. Пример изготовленного блока с основанием 400x300 мм и нарезанными образцами представлен на рис. 3.
а
Рис. 2. Фотография двухслойного блока № 2 (а) с основанием 300x300 мм и изготовленных из него образцов (б) с основанием 50х50 мм (желто-пунктирной линией показаны границы разнопрочных слоев)
а
Рис. 3. Фотография двухслойного блока № 7 (а) с основанием 400x300 мм и изготовленных из него образцов (б) с основанием 50x50 мм (желто-пунктирной линией показаны границы разнопрочных слоев)
Проведение лабораторных испытаний на одноосное сжатие осуществлялось на электромеханическом прессе Zwick/Z250 с предельной нагрузкой - 250 кН (рис. 3, а), позволяющим проводить эксперименты с заданной скоростью деформирования и с автоматической регистрацией результатов, с помощью компьютерной системы «TestXpertv.9.0» в режиме реального времени. Контактные условия между образцом и плитами пресса соответствовали режиму сухого трения (рис. 3, б).
По результатам эксперимента строились полные диаграммы деформирования в координатах «нагрузка - продольная деформация», по которым определялся полный комплекс прочностных и деформационных показателей. Определение физико-механических свойств слоистых образцов осуществлялось в соответствии с действующими ГОСТами (ГОСТ 21153.2-84, 2001 [8], ГОСТ 28985-91, 2004 [9]). Пример диаграмм деформирования составных образцов с различной высотой слабого слоя, полученных в ходе испытания блока № 2 и № 7 представлены на рис 4.
Осредненные результаты определения прочности на сжатие (асж) и разрушающей деформации (Впр) по каждой серии, включающей образцы с одинаковым соотношением цемента и песка, а также слоями одинаковой толщины представлены в таблице 1.
а б
Рис. 3. Проведение лабораторных испытаний на одноосное
сжатие:
а - электромеханический пресс Zwick/Z250; б - контактные условия образца с плитами пресса
а
б
0.02
0.005 0.01 0.015 0.02 Деформация продольная
0.025
0.004 0.008 0.012 0.016 Деформация продольная
Рис. 4. Пример диаграмм деформирования составных образцов с различной высотой слабого слоя: а - блок № 2; б - блок № 7
Осредненныерезультаты экспериментальной прочности
№ блока № серии Кол-во обр., шт. Кол-во сл. Толщина 1 слоя, прочный, мм Толщина 2 слоя, слабый, мм °пр, МПа Впр, %
1 6 1 0 100 6,56 0,41
2 6 2 40 60 7,70 0,44
1 3 6 2 60 40 9,58 0,50
4 6 2 80 20 12,71 0,58
5 6 1 100 0 18,48 0,58
1 6 1 0 100 5,92 0,34
2 6 2 30 70 7,04 0,39
2 3 6 2 40 60 7,64 0,44
4 6 2 60 40 9,10 0,43
5 6 2 80 20 10,79 0,45
6 6 1 100 0 15,28 0,42
1 6 1 0 100 8,85 0,35
2 6 2 30 70 9,25 0,49
3 3 6 2 70 30 11,15 0,49
4 6 2 80 20 10,83 0,56
5 6 2 85 15 10,93 0,58
6 6 1 100 0 13,91 0,54
1 6 1 0 100 7,64 0,44
2 6 2 20 80 9,13 0,35
3 6 2 40 60 9,31 0,39
4 4 6 2 50 50 9,95 0,38
5 6 2 60 40 9,91 0,43
6 6 2 80 20 11,38 0,52
7 6 1 100 0 19,12 0,49
Окончание
1 6 1 0 100 2,68 0,40
2 6 2 20 80 3,53 0,29
3 6 2 40 60 3,94 0,30
5 4 6 2 50 50 4,99 0,36
5 6 2 60 40 4,96 0,40
6 6 2 70 30 5,96 0,44
7 6 2 80 20 6,42 0,40
8 6 1 100 0 11,38 0,53
При анализе полученных результатов наблюдается тенденция уменьшения прочности составных образцов с увеличением толщины слабого слоя практически для всех блоков. Наиболее интенсивное снижение прочности происходит у блока №4 и №5, резкое падение наблюдается на образцах с толщиной слабого слоя 20 мм, где предел прочности падает на 40 и 44 % соответственно. Характер изменения прочности составных образцов с увеличением высоты слабого слоя, осредненный по всем блокам, представлен на рис. 5, а.
Также наблюдалась корреляция разрушающей деформации с высотой слабого слоя. По мере увеличения высоты слабого слоя прослеживается тенденция уменьшения разрушающей деформации составных образцов. Характер снижения разрушающей деформации, осредненной по всем блокам, представлен на рис. 5, б.
а б
Рис. 4. Характер изменения прочности (а) и разрушающей деформации (б) составных образцов с увеличением высоты слабого слоя
По результатам проведенных исследований можно сделать вывод, что методика изготовления составных образцов методом «сплошной за-
ливки» дает вполне удовлетворительные результаты и позволяет снизить разброс прочностных показателей. Так же стоит отметить, что данная методика использовалась для изготовления трехслойных образцов с целью изучения влияния толщины слабого слоя на прочность составных образцов в работе [10].
Исследование выполнено при финансовой поддержке Министерства науки и образования РФ в рамках соглашения по государственному заданию № 075-03-2021-374 от «29» декабря 2020 г. (рег. номер 122012000403-1), а также РФФИ и Пермского края по гранту №20-45596011.
Список литературы
1. Кузнецов Г.Н., Бублик Ф.П., Кузнецов С.Т. Прочность неоднородных междукамерных целиков // Тр. ВНИМИ. 1962. С. 45.
2. Бублик Ф.П. Оценка несущей способности неоднородных целиков // Проблемы сланцедобывающей промышленности Эстонской ССР. Л.: Недра, 1968.
3. Слесарев В.Д. Определение оптимальных размеров целиков различного назначения. М.: Углетехиздат, 1948.
4. Раденко Е.С. К определению несущей способности рудных целиков с прослойками слабых пород // Добыча и обогащение руд цветных металлов, 1964. №2.
5. Tziallas GP, Saroglou H, Tsiambaos G. Determination of mechanical properties of flysch using laboratory methods // Engineering Geology. 2013. 166. Р.81-89.
6. Experimental investigation of mechanical properties of bedded salt rock / W. Liang [and others] // International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences. 2007. 44(3). Р. 400-411.
7. Указания по защите рудников от затопления и охране подрабатываемых объектов на Верхнекамском месторождении калийно-магниевых солей. Пермь-Березники, 2014. 130 с.
8. ГОСТ 21153.2-84 Породы горные. Методы определения предела прочности при одноосном сжатии. М.: Изд-во стандартов, 2001. 10 с.
9. ГОСТ 28985-91 Породы горные. Методы определения деформационных характеристик при одноосном сжатии. М.: Изд-во стандартов, 2004. 19 с.
10. Ударцев А.А. Экспериментальные исследования влияния толщины ослабленного слоя на прочность составных образцов // Горное эхо. 2021. №3(84). С. 34-38. DOI:10.7242/echo.2021.3.7.
Ударцев Артем Александрович, мл. науч. сотр., udartsev@mi-perm.ru, Россия, Пермь, Горный институт Уральского отделения Российской академии наук,
Асанов Арсений Андреевич, техник, ongsuperstar@vk.com, Россия, Пермь, Пермский национальный исследовательский политехнический университет
DETERMINATION OF THE STRENGTH PROPERTIES OF LAYERED SPECIMENS PRODUCED BY THE METHOD OF SOLID FILLING
A. A. Udartsev, A. A. Asanov
The article presents the results of laboratory studies to determine the strength properties of layered samples under uniaxial compression, made from a sand-cement mixture by the "solid pouring" method.
Key words: cement-sand layered samples, weakened layer, uniaxial compression, tensile strength.
Udartsev Artem Alexandrovich, Jr. scientific. officer, udartsev@mi-perm.ru , Russia, Perm, Mining Institute of the Ural Branch of the Russian Academy of Sciences,
Asanov Arseniy Andreevich, technician, ongsuperstar@vk.com , Russia, Perm, Perm National Research Polytechnic University
Reference
1. Kuznetsov G.N., Bublik F.P., Kuznetsov S.T. The strength of heterogeneous inter-chamber targets // Tr. VNIMI. 1962. P. 45.
2. Bublik F.P. Evaluation of the bearing capacity of heterogeneous targets // Problems of the shale industry of the Estonian SSR. L., "Nedra", 1968.
3. Slesarev V.D. Determination of optimal sizes of tselikov for various purposes. M.: Ugletekhizdat, 1948.
4. Radenko E.S. To determine the bearing capacity of ore tselikov with layers of weak rocks // Mining and enrichment of ores of non-ferrous metals, 1964. No. 2.
5. Tziallas GP, Saroglou H, Tsiambaos G. Determination of mechanical properties of flysch using laboratory methods // Engineering Geology 2013. 166: p.81-89
. 6. Experimental investigation of mechanical properties of bedded salt rock / W. Liang [and others] // International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences 2007. 44(3). p. 400-411.
7. Instructions for the protection of mines from flooding and the protection of moonlighting facilities at the Verkhnekamskoye potassium-magnesium salt deposit. Perm-Berezniki, 2014. 130 p.
8. GOST 21153.2-84 Mountain rocks. Methods for determining the ultimate strength under uniaxial compression. M.: Publishing House of Standards, 2001. 10 p.
9. GOST 28985-91 Mountain rocks. Methods for determining deformation characteristics under uniaxial compression. M.: Publishing House of Standards, 2004. 19 p.
10. Udartsev A.A. Experimental studies of the effect of the thickness of a weakened layer on the strength of composite samples // Gornoe echo. 2021. No.3(84). pp. 34-38. D0I:10.7242/echo.2021.3.7.
