Оценка изменения физико-механических свойств пород при подходе карьера к проектной глубине Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

УДК 622.014.3:502.76 Т. Т. Исмаилов

ОЦЕНКА ИЗМЕНЕНИЯ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ПОРОД ПРИ ПОДХОДЕ КАРЬЕРА К ПРОЕКТНОЙ ГЛУБИНЕ

Физико-механические свойства горных пород карьеров России и стран СНГ, их структура и гидрогеология весьма разнообразны и в значительной мере предопределяют степень дробления горных пород энергией взрыва.

На общее состояние и степень разрушения пород существенно влияют горнотехнические условия разработки. Уменьшение ширины рабочих площадок на нижних горизонтах карьера приводит к сокращению числа рядов взрываемых скважин, что сводит на нет преимущества многорядного короткозамедленного взрывания, и ведет к ухудшению дробления пород. Возрастают требования к управлению шириной развала.

Взрываемые породные и рудные массивы на глубоких горизонтах обычно характеризуются сложной геологической текстурой, представленной различным направлением плоскостей наслоения, складчатостью и пространственной системой трещин различных размеров и густоты.

Правильный учет анизотропии, механической прочности массива пород, трещиноватости и напластований имеет большое значение при; производстве буровзрывных работ, т. к. породы при взрыве всегда разрушаются по ослабленным плоскостям.

Наличие в массиве различного рода напластований, прослоек и целых включений с различными физико-

механическими свойствами, пор, микро-и макротрещин и т.д. приводит к необратимым поглощениям и рассеиваниям энергии распространяющейся волны. В результате действия этих факторов наблюдается сильное затухание энергии взрыва, что приводит к неравномерности дробления горной массы.

Специфика отработки глубоких горизонтов выдвигает особое требование к результатам взрывной отбойки горной массы. С учетом перспективы развития циклично-поточной технологии на карьерах и ограниченных размеров рабочих площадок на глубоких горизонтах будут предъявляться повышенные требования к качеству дробления горной массы, её гранулометрическому составу, а также к параметрам развала взорванной горной массы.

Решение проблемы получения взорванной горной массы заданного гранулометрического состава невозможно без всестороннего и глубокого изучения физических основ действия взрыва в твердой среде. Поэтому изучением механизма разрушения при взрывном нагружении твердых сред, а также разработкой новых методов, повышающих интенсивность дробления горной массы, занимаются многие ученые, как в нашей стране, так и за рубежом. Именно последние десятилетия знаменуется разработкой, освоением и широким внедрением в производство новых методов взрывных работ, позволивших в значи-

тельной мере решить проблему высококачественного дробления скальных пород.

Большой вклад в решение указанной проблемы внесли академики Н.В. Мельников, В.В. Ржевский, К.Н. Трубецкой, д.т.н. Е.Г. Баранов, О.Е. Власов, Г.П. Демидюк, М.Ф. Друкованный, Э.И. Ефремов, Б.Н. Кутузов, В.М. Кузнецов, Ф.И. Кучерявый, В.И. Комащенко, В.Н. Мосинец, В.Н. Родионов, В.К. Рубцов, Н.Я. Репин, В.П. Тарасенко, А.Н. Хану-каев и другие ученые.

Анализ зависимостей, определяющих возможность оценки наступления разрушения и его масштабов, а также данные наблюдений в условиях массивов показывают, что при решении этой задачи значительную роль играют физикомеханические характеристики горных пород. Вообще расчет на прочность любой конструкции, любой механической системы не может быть закончен на стадии определения напряжений и деформаций в произвольной точке системы. Сами напряжения и деформации рассчитываются по формулам, включающим определенные прочностные и деформационные характеристики материалов.

Вильямом Р. Джюддом получена зависимость между динамическим Еч и статическим Ест. модулем Юнга в широком диапазоне свойств горных пород. Значения динамического модуля получены по результатам опытов, проведенных в условиях массива горных пород, а не на образцах в лаборатории. Несмотря на значительный разброс экспериментальных данных, коэффициент корреляции составляет 0,93. Анализ полученной зависимости показывает, что с достаточной степенью точности она может быть аппроксимирована линейной функцией

Бя = 1,15Ест + 5 • 103, МПа (1)

Эти экспериментальные данные позволяют высказать предположение, что массив горных пород оказывается "менее чувствительным" к приложению динамических нагрузок в смысле изменения его деформационных свойств. Он является менее "жестким" по отношению к действию динамических нагрузок, чем слагающие его породы в некотором интегральном смысле, когда длины распространяющихся в нем волн велики по сравнению с элементами структуры самой породы, слоистости и трещиноватости.

Рассматривая физико-механичес-кие свойства горных пород, следует отметить, что весьма важной их динамической характеристикой является скорость распространения в них продольных волн. Для большинства горных пород она изменяется в довольно широких пределах - от 1000 до 9000 м/с.

Основными факторами, определяющими механические процессы в массиве горных пород при проведении БВР на глубоких горизонтах, являются постоянно и повсеместно действующие: гравитация, физико-меха-нические свойства массива, а также временно или локально действующие тектонические силы.

Наиболее важными характеристиками, определяющими указанные фак-торы, являются: геометрические - глубина заложения заряда, размеры блоков, слагающих массив; физико-механические свойства пород массива; показатели исходного напряженного состояния массива горных пород - величины и знаки тензора напряжений в "нетронутом" горными работами (взрывом) массиве горных пород.

Приведенные характеристики, определяющие механические процессы разрушения горных пород взрывом, оцениваются сравнительно полно. Это, в пер-

вую очередь, относится к геометрическим характеристикам, которые или задаются условиями задачи (глубина заложения заряда), или определяются при геологическом изучении массива горных пород по кернам скважин (степень естественной трещиноватости).

Что касается физико-механических свойств пород массива, то они могут быть определены при наличии доста-точного числа образцов в лаборатор-ных условиях с имитацией температуры и напряженно-деформированного сос-тояния, свойственного глубине их зале-гания. Основные показатели, определяющие трудоёмкость и эффективность ведения горных работ -это прочность и трещиноватость, от которых непосредственно зависят технико-экономи-ческие показатели буровзрывных работ, устойчивость бортов и уступов карьеров, а также показатели работы погрузочного и транспортного оборудования.

По практическим данным проч-ность горных пород, как правило, с глубиной увеличивается, причем более интенсивно в верхней зоне скаль-ных пород до глубины (100-150 м), при дальнейшем увеличении глубины прочность возрастает менее интенсивно (рис. 1, 2).

Кроме того, с глубиной изменяются соотношения пород с резко отличающейся прочностью в сторону увеличения крепости вмещающих пород в среднем на 0,4-0,6 единиц на каждые 100 м глубины. Вследствие влияния этого фактора установлено снижение производитель-ности буровых станков на 15-25 % и возрастание себестоимости бурения на каждые 100 м углубления.

Таблица 1

Другой важной характеристикой физико-механических свойств пород является трещиноватость, характеризующая структуру массива горных пород, неоднородность и анизотропию их свойств. Трещиноватость влияет на прочность, устойчивость, деформируемость и раз-рушаемость горных пород, на их водо-насыщаемость, влагоёмкость и водопроницаемость, а также на интенсивность и глубину проникновения процессов выветривания и окисления.

Форма и величина отдельностей могут изменяться в широком диапазоне в зависимости от числа трещин, их направления.

Простейшей характеристикой трещиноватости пород является кускова-тость керна, отнесенная к интервалу скважины:

Кт=-?~, (2)

I • V

где п - число кусков в интервале 1 м; V -выход керна в долях единицы.

Для глубины 300, 600, 900 м были рассчитаны КТ с учетом глубины и сопоставлены с фактическими измерениями густоты трещиноватости (табл. 1).

На основании представленных результатов можно сделать вывод о том, что горный массив обладает свойством периодической неоднородности.

При переходе на более глубокие горизонты разработки происходит увеличение размера отдельностей. Соотношение пород по трещиноватости в пределах карьерного поля зависит от геологического строения месторождения: соотношение пород изменяется в зависимости от глубины, направления

Глубина Н, м 300 600 900 1200

Кт расчетный 1,85 2,5 2,7 3,3

Кт фактический 1,85 2,2 2,4 -

Глубина от границы скальных пород, Н, м

Глубина от границы скальных пород, Н, м

1 —* 2 3

и скорости подвигания горных работ. Поэтому соотношение пород по трещиноватости с учетом их прочностных характеристик должно быть основой пла-ниро

вания показателей взрывных и горных работ.

Замерами и наблюдениями, проведенными в отраслевой лаборатории МГГУ, установлено, что блочность пород увеличивается с возрастанием глубины разработки (табл. 2; 3). По всем исследованным карьерам (более 20) установленная зависимость имеет линейный характер.

В результате наших исследований установлено, что на глубоких карьерах с увеличением глубины разработки происходит изменение физико-механических харак-

теристик пород.

Таблица 2

Показатель трещиноватости и прирост блочности пород (среднего диаметра отдельности) при среднем темпе углубления карьеров 15м в год

Прил«зор.рдннь-

го ¡¡увеличением

делыюатматичес: глУбКВбдрМ: М)е

№№

пп

Карьер

Показатель тре-щинноватости пород

мшшжтщи-с

ЩМШыещр/орЩ: 1

кие но@$1Ю]орбД ения Качканарское); 2 -

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10 11 12 13

Кальмакырский

Коунрадский

Сорский

ЦГОКа

Оленегорский

Сев. ГОКа

Северо-Джезгазганский

Сарбайский

Кавдорский

Гайский

Ждановский

Каджаранский

Лебединский

2,8

2.5

2.5

2.3 2,0

1.9 1,8

1.4

1.10 0,80 0,70 0,40 0,350

коцтактово-м

(Сарбайское

рбблаТодатск

дв&З - мета

рождения (О рбжЗкое, КМ 0,079

:тасома|ич®кие и

ные месторождения Соколовское, Го-ое, Высо^Ы’&рское и морфоге[Н2197е место-шенегорское, Криво-А). 0,546

1,037

А083 2. Ха

блоШости

щстюрожден, глубины кар•

скиУ^Йесторо К&2Мнарское) мета-соматич мальные мес скейе, Соколов

0,958

рактер изменения ород железорудных ий с ¡влечением ера: 1 - магматиче-ждения (КУвдорское, 2 - 0кйнГактово-еские и 150идротер-орождения (Сарбай-ское, Г°р4801агодат-

Таблица 3

Изменение среднего размера отдельностей с глубиной железорудных карьеров

Глубина,

Средний размер отдельностей (м) по месторождениям:

м Качка- нарский ГОК Соколов- ское Сарбай-ское месторожде- ние Ковдорское месторож- дение Коршуновское месторождение Оленегорское месторождение

0-50 0,32 0,30 0,45 0,40 0,30 0,30

50-100 0,80 0,70 0,80 0,80 0,62 0,52

100-150 1,70 0,90 1,10 1,50 0,90 0,52

150-200 1,80 1,10 1,30 2,20 1,10 0,60

200 2,30 1,20 1,40 2,80 1,20 -

Изменение размеров естественной отдельности с глубиной выражается следующей корреляционной зависимостью (экспериментальные зависимости получены для условий Кальмакырского карьера):

с1ф = 0,306 + 0,0036 Н, м (3)

где Н - глубина расположения исследуемого слоя, м.

Экспериментальные данные обработаны на ЭВМ методом наименьших квадратов. Коэффициент корреляции гк = 0,98.

Изменение плотности пород с глубиной подчиняется следующей корреляционной зависимости:

р = 1,5 • Н + 2390, кг /м3. (4)

Коэффициент корреляции гк = 0,88.

Изменение модуля Юнга пород с глубиной описывается корреляционным уравнением

Ест = 0,015 • Н + 3,4 • 103, МПа (5)

Коэффициент корреляции гк = =0,76.

С увеличением уплотнения увеличивается сцепление по контактам, по которым передается давление и энергия, и поэтому возрастают такие параметры, как упругость, упругие свойства, теплопроводность и т.д.; одновременно уменьшается площадь сечения пор, трещин, поэтому такие параметры, как влагоемкость и проницаемость уменьшаются.

Однако эти исследования относятся в основном к статическому напряженному состоянию пород.

Что касается изменения физикомеханических свойств горных пород при совместном воздействии на них статических и динамических нагружений, в особенности в объемном трехмерном

напряженно-деформирован-ном состоянии, то можно констатировать явный недостаток исследований в этом направлении. Вместе с тем измененные характеристики прочности горных пород в этих сложных условиях оказывают решающую роль при оценке радиусов соответствующих зон механического действия взрыва.

Из вышеизложенного следует, что характер блочности, трещиноватости изменяется с увеличением глубины разработки, трещины на нижних горизонтах плотно сомкнуты, а некоторые залечены. Следовательно, распространение и воздействие взрывных волн на массив иное, чем на верхних горизонтах. Поэтому при расчетах удельного расхода ВВ и параметров рыхления необходимо учитывать изменение блочности, предела прочности пород на растяжение в функции глубины. Кроме того, можно ожидать, что в зоне забойки скважин 2го и 3-го рядов прочностные характеристики массива горных пород будут зависеть от горного давления.

— Коротко об авторах ----------------------------------------------------------

Исмаилов Т. Т. - кандидат технических наук, доцент, Московский государственный горный университет.