CC BY
29
УДК 622.35.095:825.072
ОСОБЕННОСТИ ОЦЕНКИ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ГОРНЫХ ПОРОД ПРИ ГЕОЛОГОРАЗВЕДОЧНЫХ
РАБОТАХ
© 2009 Е Е. Каменева Петрозаводский государственный университет
Рассмотрены результаты изучения физико-механических свойств горных пород на стадии геологической разведки. Охарактеризованы особенности геолого-технологической оценки горных пород: ее цели, задачи, методы и последовательность операций. Показано, что итогом технологической оценки месторождений горных пород как промежуточного звена между их генезисом и результатами переработки являются количественные связи между геолого-технологическими особенностями и показателями дробления.
Ключевые слова: горные породы, физико-механические свойства, геологическая разведка
В настоящее время в связи реализацией президентской программы «Дороги России XXI века», предусматривающей строительство, реконструкцию и ремонт автомобильных дорог, увеличивается потребность в высококачественном щебне. Основным поставщиком щебня в Центральном и Северо-Западном регионах России является Республика Карелия, обладающая значительными запасами скальных горных пород. Темпы производства щебня в республике постоянно возрастают: если в 2003 г. объем производства щебня составил 3 млн. м3, то в 2008 г. этот показатель увеличился до 11 млн. м . Выпуск щебня в Республике Карелия осуществляют 26 горных предприятий.
Основными сырьевыми источниками для производства щебня в Карелии являются высокопрочные и прочные скальные породы - граниты, гнейсограниты, габбро-диабазы, кварциты. В большинстве случаев месторождение строительных горных пород характеризуется однородностью геологического строения [1]. Как правило, месторождение представлено породой одной текстурно-структурной разновидности, в связи с чем не требуется проведения детальных работ по геолого-технологическому картированию, выделению
Каменева Елена Евгеньевна, кандидат технических наук, доцент кафедры горного дела
технологических типов и сортов, отсутствует необходимость управления качеством горной массы при перспективном и оперативном планировании горных работ.
Обязательным этапом работ при оценке запасов по категориям С2 и С1 является испытание физико-механических свойств горных пород и полученного из них щебня по фракциям. Согласно установленным требованиям [2], контролируемыми показателями являются следующие: зерновой состав щебня по стандартным фракциям (5-10 мм, 10-20 мм, 20-40 мм), содержание пылевидных и глинистых частиц, содержание зерен слабых пород; содержание зерен пластинчатой и игольчатой формы (лещадных зерен), прочность, истираемость, морозостойкость, сопротивление удару, плотность, водопоглощение. Кроме этого, анализируется минералого-петрографический состав породы, оценивается содержание вредных примесей, проводятся испытания песков-отсевов дробления. На основании полученных результатов и анализа их соответствия требованиям ГОСТ делается вывод о возможных направлениях использования щебня и проводятся маркетинговые исследования (поиск потенциальных потребителей).
Проба для испытаний отбирается непосредственно на изучаемом участке недр в виде штуфных образцов или керна геологоразведочных скважин. Из пробы путем одностадиального дробления в щековой
дробилке и сортировки в лабораторных условиях готовятся фракции щебня 5-10 мм, 10-20 мм, 20-40 мм для испытаний [3].
Сопоставительный анализ результатов испытаний физико-механических свойств горных пород, полученных на стадии геологической разведки и данных работы действующих дробильно-сортиро-вочных установок показывает, что существующая методология исследования горных пород [3] обеспечивает получение лишь ориентировочных данных о качестве щебня, который может быть получен при их дроблении.
Цель настоящей работы - выполнить анализ степени достоверности
При дроблении породы в лабораторной щековой дробилке в открытом цикле содержание зерен лещадной формы составляет 25-55% для пород массивной текстуры и 40-84% для сланцеватых пород. При дроблении в производственных условиях по трехстадиальной схеме в замкнутом цикле с использование конусных,
показателей качества щебня, полученных на этапе геологической разведки.
Проведенными исследованиями установлено, что показатели качества щебня, определяющие возможность его использования в том или ином виде строительства, определяются не только физико-механическими свойствами исходной породы, но и технологией производства. Форма зерен (кубовидность) определяется как текстурно-структурными особенностями исходного сырья (сланцеватость, слоистость), так и способом дробления, типом применяемого оборудования, степенью загрузки дробилки, схемой дробления (табл.)
роторных или центробежно-ударных дробилок показатель лещадности снижается (табл. 2). В этой связи показатель лещад-ности, полученный при испытаниях на стадии геологоразведочных работ не может быть и информативным показателем, позволяющим судить о качестве щебня.
Тип горной породы Содержание лещадных зерен, %
наименование текстура лабораторный эксперимент промышленное дробление
гнейсо-гранит слоистая 40-84 24-35
диабаз массивная 25-48 6-18
габбродиабаз массивная 26-55 8-32
гранит массивная 32-54 9-24
Таблица 1. Технологические факторы, влияющие на форму зерен щебня
Факторы Требуемые условия Технологический эффект
производительность дробилки близкая к максимальной дополнительное избирательное разрушение лещадных кусков за счёт самодробления
размер разгрузочной щели минимальный уменьшение % прохождения ле-щадных зёрен
тип дробилки дробилка ударного действия в III стадии дополнительное разрушение ле-щадных зёрен (кубизация) за счёт удара
компоновка схемы замкнутый цикл в последней стадии дробления додрабливание лещадных зёрен при повторном прохождении через дробилку
Таблица 2. Содержание зерен лещадной формы во фракции щебня 5-20мм
Зерновой состав (распределение зерен по контрольным классам крупности в данной фракции щебня), полученный при дроблении и грохочении в лабораторных условиях, является эталонным для данной фракции щебня, полученного из той или иной горной породы. Это связано с тем, что в лабораторных опытах эффективность рассева пробы щебня на виброанализаторе составляет 100%, а в промышленных условиях эффективность грохочения не превышает 75-90%.
Анализ данных таблицы 3 показывает, что водопоглощение щебня в 5,8-1,4 раза превышает значение этого показателя для горной породы; пористости - в 1,9-5,3 раза.
Морозостойкость щебня (способность выдерживать многократное попеременное замораживание и оттаивание) напрямую связана с пористостью: вода поступает в поры и трещины, при замерзании увеличивается в объеме и разрушает породу. Поскольку пористость и водопоглоще-ние в значительной мере определяются технологий производства щебня, значения морозостойкости, полученные в результате испытаний на стадии геологической
Средняя плотность и водопоглоще-ние щебня зависят от пористости (трещи-новатости) породы. Пористость является характерной особенностью горной породы, вторичная трещиноватость - следствие буровзрывных работ и процесса дробления. В этой связи значения этих параметров, полученные при геологической разведке, имеют более низкие значения, чем для щебня, полученного в производственных условиях (табл. 3).
разведки, являются завышенными. Лабораторными экспериментами на искусственных фракциях щебня из гранита различной лещадности установлено, что пластинчатые и игольчатые зерна характеризуются более низкой морозостойкость, чем кубовидные (табл. 4). Это связано с тем, что зерна игольчатой и пластинчатой формы при многократном замораживании-оттаивании разрушаются в направлении наименьшего размера. Кроме этого, при эксплуатации месторождения следует учитывать, что некоторые свойства горной породы (прочность, морозостойкость) изменяются при переходе на отработку более глубоких горизонтов.
Таблица 4. Потеря массы после 5 циклов замораживания-оттаивания для щебня фракции 10-20мм (гранит) различной лещадности
Содержание зерен пластинчатой и игольчатой формы, % 100 40 20 10
Потеря массы после 5 циклов замораживания-оттаивания, % 14,1 7,6 5,8 3,6
Таблица 3. Средняя плотность (рср), водопоглощение пористость (П)
горных пород и щебня
Тип породы Месторождение Горная порода Щебень 5-20 мм
Средние значения показателей
Pср, г/см П,% Pср, г/см3 П,%
гранит Южное 2,72 0,20 1,3 2,56 1,8 3,1
гранит Сухое 2.57 0,3 1,5 2,43 1,75 2.8
диабаз Лижма 3,02 0,02 0,4 2,92 0,13 1,2
диорит Алхо-2 3,00 0,18 1,2 2,67 2,6 3,2
шунгитовая порода Полежа-евское 2,72 0,21 1,1 2,54 2,4 5,8
Прочность (дробимость) щебня, как и морозостойкость, зависит от содержания зерен пластинчатой и игольчатой формы: игловатые и пластинчатые зерна выдерживают меньшую сжимающую нагрузку без разрушения.
Выводы:
1. При испытании горных пород на стадии геологической разведки достоверными можно считать только показатели, которые не зависят от особенностей технологии производства щебня: минералого-петрографический состав породы, ее истинную плотность, электроизоляционные свойства, содержание зерен слабых пород, радиационно-гигиеническую характеристику.
2. Показатели качества щебня (марки по прочности и морозостойкости, группа по лещадности, зерновой состав, водопо-глощение, пористость) могут быть установлены только при разработке месторождения.
В связи с этим данные о физико-механических свойствах горных пород, полученные при геологической разведке, могут быть основой для принятия решения только о принципиальной возможности использования их в качестве сырья для получения щебня.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:
1. Минерально-сырьевая база Республики Карелия / Книга 2. Неметаллические полезные ископаемые // Петрозаводск: Карелия, 2005. - 280с.
2. ГОСТ 8267-93 «Щебень и гравий из плотных горных пород для строительных работ. Технические условия».
3. ГОСТ 8269.0-97 «Щебень и гравий из плотных горных пород и отходов промышленного производства для строительных работ. Методы физико-механических испытаний».
FEATURES OF THE ESTIMATION OF PHYSICOMECHANICAL PROPERTIES OF ROCKS AT EXPLORATIONS
© 2009 EE. Kameneva Petrozavodsk State University
Results of studying of physicomechanical properties of rocks at a stage of geological investigation are considered. Features of geology-technological estimation of rocks are characterized: its purposes, a problem, methods and sequence of operations. It is shown, that a result of a technological estimation of rocks deposits as intermediate link between their genesis and results of processing are quantitative communications between geology-technological features and parameters of crushing.
Key words: rocks, physicomechanical properties, geological investigation
Elena Kameneva, Candidate of Technical Sciences, Associate Professor at the Mining Department
