CC BY
119
© С.Х. Абсатаров, В.В. Мосейкин, 2008
УДК 622.357.4
С.Х Абсатаров, В.В. Мосейкин
ОСОБЕННОСТИ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ МИНЕРАЛЬНЫХ РАЗНОВИДНОСТЕЙ ЖЕЛЕЗИСТЫХ КВАРЦИТОВ ЛЕБЕДИНСКОГО МЕСТОРОЖДЕНИЯ
Приведены основные физико-механические свойства минеральных разновидностей железистых кварцитов Лебединского месторождения. Приведены результаты исследований этих свойств.
Семинар № 1
Различное сопротивление раз-
Л. рушению разновидностей гор-ных пород обусловлено их физикомеханическими свойствами, которые определяются исключительно минеральным составом и их текстурноструктурными особенностями, т.е. их минерально-петрографическим типом. Различные минерально-петрогра-
фические типы пород, обладающие близкими физико-механическими свойствами, объединяются в один инженерногеологический литотип. Решающее влияние на разрушение пород оказывает их прочность или крепость. Она оценивается интегральным показателем сопротивления пород разрушению — коэффициентом крепости по М.М. Прото-дьяконову (£), примерно равному одной десятой величины предела прочности пород при сжатии (асж.), выраженной в МПа. Эти два показателя (Г и стсж.), входят в большинство расчетных формул для определения параметров взрывания. Чем выше прочность пород, тем больше энергоемкость их разрушения.
Дополнительные физико-механические свойства пород, влияющие на их разрушение — вязкость, повышающая
энергоемкость, их разрушения, хрупкость, наоборот, уменьшающая этот показатель, сжимаемость и пористость, увеличивающие потери энергии взрыва на пластические деформации, и плотность, которая определяет затраты энергии на преодоление сил инерции (это свойство пород оказывает влияние главным образом при взрывах на выброс).
Коэффициент крепости большинства петрографических типов скальных пород в той или иной степени интегрально учитывает все указанные выше физикомеханические свойства. При одинаковой блочности пород более крепкие их разновидности взрываются хуже, чем менее крепкие. Это правило нарушается в исключительных случаях при *взрывании, например, очень вязких или очень хрупких пород [1]. Вязкие породы взрываются значительно хуже, чем обычные породы одинаковой с ними крепости, а хрупкие, наоборот, взрываются лучше обычных пород. Железистые кварциты и сопутствующие им метаморфические сланцы, гнейсы и т.п. относятся к нормально дробимым породам, для оценки разрушения которых, кроме блочности, необходимо и достаточно знать их прочность (крепость).
Вопрос об удельном влиянии двух основных свойств массива (крепости и степени трещиноватости пород) на их взрываемость имеет значение для классификации пород разрабатываемого месторождения по этому показателю. Строго количественного решения он не имеет. Наиболее удачное качественное его решение предложено О.П. Якобашвили [2] в виде поля распределения категорий взрываемости пород в координатах их крепости и степени трещиноватости. При одинаковой степени трещиноватости с возрастанием крепости пород ухудшается качество их дробления при стандартных параметрах взрываемости. Чем выше степень трещиноватости пород, тем менее интенсивно это происходит, т.е. с уменьшением блочности пород влияние прочностных свойств на взрываемость убывает.
В общем случае сколько-нибудь тесная связь между крепостью пород и блочностью массива отсутствует [3]. Нередко породы одинаковой крепости имеют различный размер отдельности, а в более крепких породах этот параметр меньше, чем в менее крепких. Косвенно сказанное подтверждается отсутствием тесной корреляционной связи между буримостью, которая определяется главным образом крепостью пород, и взрываемостью пород обусловленной преимущественно трещиноватостью [4].
Однако, в отдельных массивах горных пород следствием одноэтапной тектонической трещиноватости, как результата реакции пород разной прочности на одинаковую тектоническую нагрузку, является то, что более прочные породы становятся крупноблочными и плохо взрываемыми, а менее прочные соответственно более трещиноватыми и лучше взрываемыми [5].
Результаты исследований физикомеханических свойств железистых
кварцитов Лебединского и Стойленского месторождений, выполненные Белгородской геологоразведочной экспедицией, институтами НИИКМА и Белгородским филиалом «Механобрчермета» приведены в табл. 1 и рассмотрены ниже.
Плотностные свойства. Удельный вес железистых кварцитов колеблется от 2,73 до 4,05 г/см3, среднее 3,44 г/см3. Объемный вес — от 2,33 до 3,96 г/см3, среднее 3,55 г/см3. Максимальные значения удельного и объемного веса отмечаются у гематит-магнетитовых кварцитов, минимальные — у малорудных.
В результате статистической обработки данных установлены прямые зависимости плотностных свойств с содержанием общего железа. Полученные уравнения регрессии имеют вид:
для магнетитовых кварцитов у = 0,27х + 2,571;
для железнослюдко-магнетитовых у = 0,04х + 2,436;
для куммингтонит-магнетитовых у = 0,025х + 2,51;
для малорудных у = 0,022х + 2,61,
где у — удельный вес, х — содержание железа общего.
Уравнение регрессии зависимости объемного веса от содержания железа общего имеет вид: у=2,635 + 0,0009х + 0,0016х2, где у — объемный вес, х — содержание железа общего.
Полученные нами данные хорошо согласуются с расчетами, выполненным институтом НИИ КМА (Ряполов О.Г. и др, 1980)
Неокисленные железистые кварциты обладают низкой пористостью, редко превышающей 5 %, обычно находящейся в пределах 1—2 %. Несколько повышена пористость у щелочноамфибол-
магнетитовых кварцитов, что, вероятно, связано со щелочным метасоматозом.
Прочностные свойства. Значения наиболее представительных крепости и удельной работы разрушения по разновидностям кварцитов для различных участков рудного поля приведены в табл. 1.
Железистые кварциты достаточно контрастны по прочности. Коэффициент крепости колеблется от 7,1 до 20,7, а удельная работа разрушения от 4,25 до 29,3. При этом устанав-ливается определенная зависимость прочности руд от их минерального состава и структурнотекстурных особенностей. Тонкосреднеполосчатые магнетитовые и же-лезнослюдко-маг-нетитовые кварциты с лепидобластовой и гранобластовой структурами имеют относительно пониженные сред-ние показатели прочностных свойств по сравнению с широкополосчатыми куммингтонит-
магнетитовыми и малорудными кварцитами, характеризующимися нематобла-стовой, фибропластовой, сноповидной структурами. Разница между ними в пределах контура карьера Лебединского ГОКа достигает 40—50 %. Это дало основание исследователям НИИ КМА (Ряполов и др., 1980) выделить две группы кварцитов: менее крепкие — магнетитовые, железнослюдко-магне-титовые, щелочноамфибол-магнети-товые и более крепкие — куммингто-нит-магнетитовые, биотит-магнетито-вые и малорудные.
Установлены значительные колебания прочностных характеристик железистых кварцитов близкого минерального состава. Особенно это заметно при сравнении прочности руд, отобранных из различных частей участков и залежей. В верхних горизонтах (до отметки -250 м), средний коэффициент крепости куммингтонит-магнетитовых кварцитов
составляет 17,4 (среднеквадратическое отклонение 3,04). На глубоких горизонтах (ниже отметки — 250 м), по данным лабораторных исследований Белгородского филиала института «Механо-брчермет», коэффициент крепости равен 9,08. В сторону меньших величин он отклоняется у гематит-магнетитовых и магнетитовых кварцитов. Аналогичная картина наблюдается и на Стойленском месторождении, где в проектном контуре карьера коэффициент крепости кум-мингтонит-магнетитовых кварцитов на 42 %, магнетитовых на 32 %, гематит-магнетитовых на 26 % ниже, чем на глубоких горизонтах. Такая крепости и удельной работы разрушения по разновидностям кварцитов для различных участков рудного поля приведены в табл. 1.
Железистые кварциты достаточно контрастны по прочности. Коэффициент крепости колеблется от 7,1 до 20,7, а удельная работа разрушения от 4,25 до 29,3. При этом устанавливается определенная зависимость прочности руд от их минерального состава и структурнотекстурных особенностей. Тонкосреднеполосчатые магнетитовые и желез-нослюдко-магнетитовые кварциты с лепидобластовой и гранобластовой структурами имеют относительно пониженные средние показатели прочностных свойств по сравнению с широко'-полосчатыми куммингтонит-магнетитовыми и малорудными кварцитами, характеризующимися нематобластовой, фибропластовой, сноповидной структурами. Разница между ними в пределах контура карьера Лебединского ГОКа достигает 40—50 %. Это дало основание исследователям НИИ КМА (Ряполов и др., 1980) выделить две группы кварцитов: менее
крепкие — магнетитовые, железнос-людко-магнетитовые, щелочноамфи-бол-
288
Таблица 1
Физико-механические свойства железистых кварцитов участков и залежей рудного поля
Средние значения физико-механических свойств
Участки, залежи Минералогические типы Плотность (г/см3) Объемный вес (г/см3) Пористость (%) Временное сопротивление сжатию, т (кг/см ) Коэффициент крепости (О Удельная работа разрушения (кгм/см3)
Лебединское место рождение
Центральный участок Гематит- магнетитовые 3,57/3,49 3,55/3,45 1,9 1060 11,15/7,7 -/7,2
Магнетитовые 3,57/3,46 3,52/3,42 2,6 953 10,44/8,9 -/8,9
Щелочноамфибол- магнетитовые 3,48 3,44 12,06
Куммингтонит- магнетитовые 3,40/3,43 3,34/3,39 1,4 1380 17,4/9,07 -/ 9,08
Биотит-магнетитовые 3,31/- 3,25/- 16,4/- -
Малорудные 3,06/- 3,06/- 2,1 2076 18,83/- -
Юго-Восточный Гематит- магнетитовые 3,56 3,53 1,04 - 9,0 9,0
Магнетитовые 3,49 3,46 1,0 946 9,7 9,9
Куммингтонит- магнетитовые 3,42 3,39 0,9 1578 115 12,5
Стойло- Гематит-
Лебединский уча- магнетитовые 3,62 3,57 1,33 1128 9,6 9,48
сток
Магнетитовые 3,63 3,59 121 911 11,2 12,0
Щелочноамфибол- 3,48 3,28 6,98 - - 9,83
магнетитовые
Куммингтонит- 3,56 3,52 1,19 1373 13,84 15,54
магнетитовые
Малорудные 3,11 2,51 2017 - 29,3
289
Гематит- 3,63 3,60 2,4 - - 10,7
Южный участок Магнетитовые Куммингтонит- магнетитовые 3,42 3,46 3,41 3,35 0,4 3,2 - - 11,2 19,1
Гематит- магнетитовые 3,52 3,48 1,1 - - 9,0
Магнетитовые 3,55 3,51 1,1 - 10,2 10,0
Крамской участок Куммингтонит- магнетитовые 3,29 3,26 1,1 - 9,4 9,5
Биотит- магнетитовые 3,46 3,43 1,12 - 10,7 11,2
Стойленское месторождение
Гематит- магнетитовые 3,56/3,64 3,49/3,59 1,96 901 10,85/7,98 -/7,6
Магнетитовые 3,41/3,51 3,41/3,46 0 825 12,13/9,0 -/9,0
Главная залежь Щелочноамфибол- магнетитовые 3,54 3,50 1,13 - 13,2 -
Куммингтонит- магнетитовые 3,44/3,51 3,36/3,47 2,32 1220 20,76/12,1 -/13,4
Биотит- магнетитовые 3,35 3,28 2,09 - 16,50 -
Юго-Западная залежь Гематит- магнетитовые Магнетитовые Куммингтонит- магнетитовые 3,56 3,51 3,32 3,52 3,48 3,29 1,04 1,0 0,9 - 9,94 11,74 12,38 10,22 12,9 13,77
Числитель — значения показателей до горизонта — 250 м, знаменатель — ниже горизонта — 250 м.
Таблица составлена по материалам Белгородской ГРЭ, НИИ КМА, института «Механобрчермет».
Таблица 2
Изменения скорости упругих волн и коэффициента крепости в различных кварцитах
Минеральные разновидности Скорость упругих продольных волн км/сек Коэффициент крепости
Среднее Среднеквадратическое отклонение Среднее Среднеквадратическое отклонение
Железнослюдко- магнетитовые 5,8 0,36 11,55 3,26
Магнетитовые 5,73 0,13 10,44 1,83
Щелочноамфибол- магнетитовые 5,8 0,27 12,06 3,06
Ky ммингтонит-магнетитовые 5,86 0,16 17,14 3,04
Биотит- магнетитовые 5,59 0,27 16,14 3,34
Mалорyдные 5,95 0,26 18,83 3,29
магнетитовые и более крепкие — кум-мингтонит-магнетитовые, биотит-
магнетитовые и малорудные.
Установлены значительные колебания прочностных характеристик железистых кварцитов близкого минерального состава. Особенно это заметно при сравнении прочности руд, отобранных из различных частей участков и залежей. В верхних горизонтах (до отметки -250 м), средний коэффициент крепости куммингтонит-магнетитовых кварцитов составляет 17,4 (среднеквадратическое отклонение 3,04). На глубоких горизонтах (ниже отметки - 250 м), по данным лабораторных исследований Белгородского филиала института «Механобрчермет», коэффициент крепости равен 9,08. В сторону меньших величин он отклоняется у гематит-маг-нетитовых и магне-титовых кварцитов. Аналогичная картина наблюдается и на Стойленском месторождении, где в проектном контуре карьера коэффициент крепости кум-мингтонит-магнетитовых кварцитов на 42 %, магнетитовых на 32 %, гематит-магнетитовых на 26 % ниже, чем на глубоких горизонтах. Такая разница не может быть объяснена исходя лишь из ми-
нерального состава железистых кварцитов. Для понимания отмеченных явлений необходимо опираться прежде всего на глубокие минералогические исследования, позволяющие изучать кристалличность главных минералов железистых кварцитов, и в первую очередь, кварца. Отмеченное выше увеличение его гранулометрии по направлению к замкам складок, по-видимому, является одной из причин снижения крепости кварцитов, в том числе и в пределах разновидностей, на глубоких горизонтах.
Временное сопротивление сжатию железистых кварцитов в целом колеблется от 260 кг/см2 до 4100 кг/см2 , среднее 1281 кг/см2 . При этом отмечается зависимость ее величины от минерального состава руд.
Наибольшим сопротивлением обладают малорудные (2017—2076 кг/см2), и куммингтонит-магнетитовые (1220—
1380 кг/см2) меньшим — магнетитовые (825—953 кг/см2) и гематит-
магнетитовые (901—1128 кг/см2) кварциты.
Как видно из табл. 2 средняя скорость продольных упругих волн повы-
шается с повышением коэффициента крепости. Исключение составляют био-тит-магнетитовые кварциты, в которых отклонение скорости волн в сторону меньших значений, вероятно, вызвано присутствием значительного количества слюдистого материала.
Скорость распространения продольных упругих волн непостоянна. Ее максимальная величина у малорудных, а минимальная - у биотит-магнетитовых кварцитов. Разница значений достигает 0,36 км/сек. Среднеквадратическое отклонение скорости для различных минеральных разновидностей варьирует в пределах 0,13-0,27.
Средняя скорость продольных упругих волн закономерно возрастает от магнетитовых, железнослюдко-маг-
нетитовых и щелочноамфибол-магне-
1. Оксанич И.Ф., Миронов П.С. Закономерности дробления пород взрывом и прогнозирование их гранулометрического состава. — М.: Недра, 1982, 166 с.
2. Якобашвили О.П. Цифровая сейсмометрия массивов горных пород на карьерах. — В кн.: Актуальные проблемы освоения месторождений и использования минерального сырья. — М.: изд-во МГГУ, 1993. - С. 71—91.
титовых к куммингтонит-магнетито-вым и малорудным.
Выводы
На Лебединском месторождении выделяется несколько типов железистых кварцитов, минералого-структур-но-текстурные особенности строения которых определяют различия их физикомеханических и технологических свойств.
При инженерно-геологической оценке разрушения пород в массиве необходимо изучить взаимосвязь прочности (крепости) пород с блочно-стью. Выявление такой связи существенно упрощает местную классификацию пород по взрываемости, так как появляется возможность оценивать этот параметр в каждом инженерногеологическом литотипе по одному показателю — блочности пород.
-------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
3. Ракишев Б.Р. Прогнозирование технологических параметров взорванных пород на карьерах. — Алма-Ата: Наука, 1983, 240 с.
4. Тангаев И.А. Буримость и взрывае-мость горных пород. - М.: Недра, 1978, 184 с.
5. Дунаев В.А., Серый С.С., Герасимов А.В.,
Григорьев В.И. Структура и районирование массива докембрийских пород Лебединского месторождения. — Горный журнал, 2003, № 3. -С. 7-13.1233 '
— Коротко об авторах --------------------------------------------------------------
Абсатаров С.Х. - Дорстройщебень, г. Губкин,
Мосейкин В.В. - Московский государственный горный университет.
Доклад рекомендован к опубликованию семинаром № 1 симпозиума «Неделя горняка-2007». Рецензент д-р техн. наук, проф. А.М. Гальперин.
