Оценка механических свойств горных пород и закладки на руднике "Айхал" ак "АЛРОСА" Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

УДК 550.34+622.831

DOI: 10.18303/2618-981X-2018-6-58-64

ОЦЕНКА МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ГОРНЫХ ПОРОД И ЗАКЛАДКИ НА РУДНИКЕ «АЙХАЛ» АК «АЛРОСА»

Владислав Генрихович Качальский

Институт горного дела им. Н. А. Чинакала СО РАН, 630091, Россия, г. Новосибирск, Красный пр., 54, кандидат технических наук, старший научный сотрудник лаборатории диагностики механического состояния массива горных пород, тел. (905)937-22-85, e-mail: kwg@ngs.ru

Дмитрий Васильевич Барышников

Институт горного дела им. Н. А. Чинакала СО РАН, 630091, Россия, г. Новосибирск, Красный пр., 54, научный сотрудник лаборатории диагностики механического состояния массива горных пород, тел. (383)291-90-89, e-mail: v-baryshnikov@yandex.ru

Родион Юрьевич Андреев

Институт горного дела им. Н. А. Чинакала СО РАН, 630091, Россия, г. Новосибирск, Красный пр., 54, ведущий технолог лаборатории диагностики механического состояния массива горных пород, тел. (923)113-41-98, e-mail: andreevrodion@yandex.ru

В статье приведены результаты лабораторных испытаний деформационных и прочностных свойств твердеющей закладки и вмещающих горных пород на глубинах отработки запасов месторождения ромбовидными камерами в условиях рудника «Айхал». В процессе проведения исследований уточнена методика определения деформационных свойств образцов керна с использованием прижимных датчиков деформаций.

Ключевые слова: вмещающая порода, закладка, керн, модуль упругости, коэффициент Пуассона, прочность на сжатие и растяжение.

EVALUATION OF MECHANICAL PROPERTIES OF HOST ROCKS

AND CONCRETE BACKFILL AT "AYKHAL" MINE "ALROSA" ENTERPRISE

Vladislav G. Kachalsky

Chinakal Institute of Mining SB RAS, 54, Krasny Prospect St., Novosibirsk, 630091, Russia, Ph. D., Senior Researcher, Mechanical Rock Mass State Diagnostics Laboratory, phone: (905)937-22-85, e-mail: kwg@ngs.ru

Dmitry V. Baryshnikov

Chinakal Institute of Mining SB RAS, 54, Krasny Prospect St., Novosibirsk, 630091, Russia, Researcher, Mechanical Rock Mass State Diagnostics Laboratory, phone: (383)291-90-89, e-mail: v-baryshnikov@yandex.ru

Rodion Yu. Andreev

Chinakal Institute of Mining SB RAS, 54, Krasny Prospect St., Novosibirsk, 630091, Russia, Lead Engineer, Mechanical Rock Mass State Diagnostics Laboratory, phone: (923)113-41-98, e-mail: andreevrodion@yandex.ru

The paper presents the results of laboratory tests of deformation and strength properties of the concrete backfill and host rocks at the area of deposits mining by rhomboid chambers in "Aykhal"

mine. In the process of the research the authors have refined the technique used to determine deformation properties of the core samples using clamping strain gauges.

Key words: host rock, concrete backfill, core sample, elastic modulus, Poisson's ratio, compressive and tensile strength.

В статье представлен анализ результатов определения в лабораторных условиях деформационных и прочностных характеристик образцов горных породи твердеющей закладки, отобранных с глубин отработки запасов полезного ископаемого рудника «Айхал» (АК «Алроса), по следующим основным показателям:

• предел прочности при одноосном сжатии;

• предел прочности при одноосном растяжении (методом разрушения цилиндрических образцов сжатием по образующим);

• модуль упругости (модуль Юнга), являющийся основной характеристикой деформируемости и представляющий собой отношение напряжения к относительной упругой деформации образца керна в направлении действия этого напряжения при одноосном сжатии.

• коэффициент поперечной упругой деформации (коэффициент Пуассона), являющийся отношением упругой деформации в направлении, перпендикулярном приложенной нагрузки, к относительной упругой деформации в направлении, совпадающим с направлением действия напряжения.

Для определения прочностных и деформационных свойств вмещающих пород и твердеющей закладки было подготовлено 60 образцов диаметром 68 мм, а общее количество испытаний составило 86 (табл. 1).

Таблица 1

Количество испытаний деформационных и прочностных характеристик образцов горных пород и твердеющей закладки

Количество испытанных образцов

Место отбора Материал а сж. а раст. Деформ. свойства

Скважина 32/1 Закладка 16 4 8

Скважина 32/1 Доломит 20 3 12

Горизонт ±0 Доломит 8 8 7

Проведение тестов по определению деформационных свойств образцов кернов с наклейкой тензорезисторов на боковые поверхности кернов [1], наклейкой опорных шайб для последующего крепления измерительных устройств [2] и других подобных приспособлений довольно трудоемки и не позволяют повторного использования тензорезисторов. При этом процесс подготовки образцов к испытанию также занимает много времени. Использование этих методов не обеспечивает оперативной оценки деформационных свойств материала в

полевых условиях, особенно при наличии большого количества испытываемых образцов.

В рассматриваемой статье требовалось в лабораторных условиях определить деформационные характеристики 27 образцов керна, полученных из однородного массива доломита и твердеющей закладки, с обеспечением статистической устойчивости полученных результатов. Для выполнения этой задачи использовался соответствующий требованиям ГОСТ 28985-91 [3] прижимной тензометр ДМ-12 конструкции ВНИМИ (рис.1), позволяющий измерять продольные и поперечные деформации на цилиндрических образцах исследуемого материала.

Рис. 1. Прижимной тензометр ДМ-12 конструкции ВНИМИ:

1 - образец; 2 - тензорезистор продольных деформаций; 3 - тензорезистор поперечных деформаций; 4 - прижимная резиновая пластина; 5 - пружины; 6 - опорные плиты; 7 - риски (выточки) на болтах; 8 - контактные колодки; 9 - гайки

Принцип работы данного тензометра основан на прижиме резиновых пластин 4 с наклеенными тензорезисторами к боковой поверхности образца. При этом необходимо обеспечить такое усилие прижима, при котором показания, получаемые в ходе эксперимента, практически совпадают с показаниями, получаемые на этом же образце в ходе эксперимента с применением наклеенных датчиков. Оценка допустимого усилия прижима, обеспечивающего за счет трения резиновых пластин и исследуемого образца измерение деформаций боковой поверхности образца, была проведена перед началом проведения лабораторных исследований.

Сначала на тарирующем устройстве измерялась величина усилия прижима резиновых пластин к образцу диаметром 68 мм, создаваемая путем сжатия пружин тензометра 5. Величина прижима оценивалась по величине смещения опорной плиты 6 относительно рисок (выточек) на болтах 7 тензометра. После тарировки на подготовленных образцах горной породы и закладочного материала была проведена серия измерений относительной деформации прижимных тензорезисторов. Измерения выполнялись при различных величинах прижима

резиновых пластин, но при одинаковом нагружении тестируемых образцов, которое соответствовало 30 % их предела прочности при одноосном сжатии. Целью было определение усилия прижима тензометра, при котором значение относительной деформации было бы наиболее близко к значению наклеенных тензорезисторов (при той же нагрузке образца). Это, в свою очередь, указало бы на оптимальную (требуемую) степень усилия прижима резиновых пластин, при которой обеспечивается наиболее полная передача деформаций керна на прижимной тензорезистор.

На рис. 2 представлен график изменения значений деформаций (в осевом направлении) прижимных тензодатчиков на образце доломита при его нагрузке до 70 кН в зависимости от давления прижима резиновых пластин на его боковую поверхность. Предварительно измеренные значения относительной деформации наклеенных на боковую поверхность тезорезисторов при таком же усилии составляет 38.5 *10-6.

Полученный результат свидетельствует о том, что при усилии прижима резиновых пластин до давления 0.75-0.8 МПа обеспечивается полная передача деформаций керна на прижимной тензорезистор.

Рис. 2. График экспериментальной зависимости относительной деформации тензодатчиков от давления прижима резиновой пластины тензорезистора ДМ-12 к боковой поверхности образца керна доломита

Результаты применения описанной методики для оценки деформационных свойств образцов горной породы и закладки рудника «Айхал» с использованием прижимного тензометра приведены в табл. 2.

Таблица 2

Результаты определения деформационных свойств твердеющей закладки и доломита с применением прижимного тензометра

№ скважины Материал № образца Модуль деформ., ГПа Модуль упругости, ГПа Коэфф. Пуассона Предел прочности на сжатие, МПа Предел прочности на растяжение, МПа

Камера 32

1 6,68 7,01 0,26 5,4 -

2 4,27 4,74 0,21 7,4* -

3 - - - 4,6 -

4 4,38 5,89 0,31 4,8 -

5 - - - 5,0 0,93

6 3,68 4,27 0,25 4,5 -

7 - - - 4,9 -

32/1 закладка 8 5,37 6,66 0,39* 4,6 -

9 - - - 5,1 -

10 4,71 5,47 0,19 4,4 -

11 4,36 5,09 0,22 3,5 -

12 - - - 4,9 -

13 4,56 5,85 0,18 4,0 -

14 - - - 4,3 0,86

15 - - - 4,1 0,93

16 - - - 2,6* 0,42*

Среднее значение 4,8 5,6 0,23 4,4 0,91

Среднеквадратичное отклонение 0,9 0,9 0,05 0,7 0,04

Вариация,% 19,2 16,5 19,6 15,8 4,5

1 26,3 29,4 0,23 67,2 -

2 38,3 41,6 0,33 71,4 -

3 - - - 57,6 -

4 31,3 36,5 0,22 96,9 -

5 37,5 41,7 0,26 94,7 -

6 - - - 109,1* -

7 - - - 82,5 -

32/2 доломит 8 29,6 32,0 0,29 65,8 -

9 19,6 20,5 0,19 62,3 -

10 26,8 29,6 0,29 56,2 -

11 17,8* 19,7* 0,41* 54,9 -

12 - - - 77,8 -

13 - - - 67,6 -

14 33,3 36,8 0,27 62,0 4,04

15 24,4 27,2 0,23 75,3 -

16 - - - 55,5 4,10

№ скважины Материал № образца Модуль деформ., ГПа Модуль упругости, ГПа Коэфф. Пуассона Предел прочности на сжатие, МПа Предел прочности на растяжение, МПа

17 - - - - 2,11*

18 - - - 38,5* -

19 26,2 27,8 0,20 91,1 -

20 27,9 32,0 0,19 36,4* -

21 - - - 112,0* -

Среднее значение 29,2 32,3 0,25 71,2 4,07

Среднеквадратичное отклонение 5,6 6,4 0,05 14,00 0,04

Вариация,% 19,2 19,9 18,8 19,7 1,0

Горизонт ±0

СЗН 1-1 доломит 1 - - - - 2,9

2 26,7 29,1 0,18 39,0

СЗН 2-2 доломит 3 19,8 22,5 0,25 42,9 4,1

4 25,6 27,0 0,19 52,9

5 - - - 51,3

6 28,0 29,3 0,16 64,0

ППМ доломит 7 - - - - 4,5

8 - - - -

9 16,9 19,9 0,17 47,4

10 20,8 21,3 0,16 49,6

11 19,7 20,8 0,15 42,3

Среднее значение 22,5 24,3 0,18 48,7 4,1

Среднеквадратичное отклонение 4,2 4,1 0,03 7,8 0,6

Вариация,% 18,8 16,8 18,7 16,1 13,9

* Образцы исключены из обработки.

Выводы:

1. Для качественного измерения величин относительной деформации образцов горной породы (или закладочного материала) с помощью прижимного тензометра необходимо для каждой серии испытываемого материала проводить предварительную оценку усилия прижима резиновых пластин тензометра к образцу, обеспечивающего полную передачу деформаций образца на прижимные тензорезисторы.

2. При усилии прижима резиновых пластин тензометра к образцам доломита, равном 0,75-0,8 МПа, различие значений деформаций прижимных и накладных тензодатчиков не превышает 1 %, что свидетельствует о полной передаче деформаций образца.

3. После исключения (в соответствии с методами статистической обработки) из анализа результатов тестирования некоторых образцов, коэффициенты вариации значений деформационных характеристик доломита и твердеющей закладки не превышают допустимых ГОСТом 20 %. Это говорит о хорошем качестве измерений, выполняемых при помощи прижимного тензометра ДМ-12, которые, в том числе, могут оперативно выполняться в полевых условиях.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. ГОСТ 28985-91. Породы горные. Метод определения деформационных характеристик при одноосном сжатии. - М. : ИПК Издательство стандартов, 2004.

2. Сукнев С. В. Опыт применения стандарта организации СТО 05282612-001-2013 для определения упругих свойств горных пород // Proceeding of the International Geomechanics Conference 27 June - 01 July 2016, Varna, Bulgaria. Междунар. науч. конф. "Scientific and technical union of mining, geology and metallurgy'Warna, Bulgaria, 27 June - 01 July 2016. -C. 3-9.

3. Барышников В. Д., Качальский В. Г. Анализ погрешности определения деформационных свойств образцов кернов при лабораторных испытаниях // Интерэкспо ГЕО-Си-бирь-2017. XIII Междунар. науч. конгр. : Междунар. науч. конф. «Недропользование. Горное дело. Направления и технологии поиска, разведки и разработки месторождений полезных ископаемых. Экономика. Геоэкология» : сб. материалов в 4 т. (Новосибирск, 17-21 апреля 2017 г.). - Новосибирск : СГУГиТ, 2017. Т. 2. - С. 13-16.

REFERENCES

1. National Standard GOST 28985-91. Rocks. Method for the determination of deformation characteristics under uniaxial compression. - M. : IPK Publishing House of Standards, 2004.

2. Suknev S.V. Experience in applying the standard of organization STO 05282612-001-2013 for the determination of elastic properties of rocks // Proceeding of the International Geomechanics Conference 27 June - 01 July 2016, Varna, Bulgaria. International Scientific Conference "Scientific and technical union of mining, geology and metallurgy'Warna, Bulgaria, 27 June - 01 July 2016. -p. 3-9.

3. V. D. Baryshnikov, V. G. Kachalsky. Analysis of Error in Laboratory Evaluation of Strain Properties of Core Specimens // Interexpo GEO-Siberia 2017 XIII International Exhibition and Scientific Congress. International Scientific Congress "Mining. Trends and technologies of search, exploration and development of mineral deposits. Geoecology", April 25-27, 2017, Novosibirsk, Russia. V. 2, pp. 13-16.

© В. Г. Качальский, Д. В. Барышников, Р. Ю. Андреев, 2018