Результаты испытаний мрамора «Доверие» Кибик-Кордонского месторождения (Республика Хакассия) Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

© Н.Н. Анощенко, Б.Ю. Давиденко, В.Д. Христолюбов, М.Н. Тавостин, А.Г. Терехов, 2008

УДК 622.23.02

Н.Н. Анощенко, Б.Ю. Давиденко, В.Д. Христолюбов,

М.Н. Тавостин, А.Г. Терехов

РЕЗУЛЬ ТА ТЫ ИСПЫТАНИЙ МРАМОРА «ДОВЕРИЕ» КИБИК-КОРДОНСКОГО МЕСТОРОЖДЕНИЯ (РЕСПУБЛИКА ХАКАССИЯ)

У~Тдинственным в России разра-

-Х-/ батываемым месторождением цветных мраморов является Кибик-Кордонское, открытое в 70-е годы ХХ столетия.

В 1973 году на его базе было введено в эксплуатацию крупнейшее в Сибири предприятие по добыче мраморов на 4-х карьерах и изготовлению на камнеобрабатывающем заводе облицовочных и архитектурно-строи-тельных изделий -комбинат «Саянмрамор».

В 1998 году было образовано ОАО «МКК-Саянмрамор», в состав которого вошли Северный и Южный карьеры, участок №7 и камнеобрабатывающий завод.

На участке №7, расположенном в горном отводе карьера Южный, и находящемся на 280 м ниже карьера, разведочными буровыми скважинами 2001 года был вскрыт 2-й литологический горизонт, представленный мелко- и среднезернистыми мраморами белого цвета, местами со слабым палевым оттенком на полированных плоскостях. Такой мрамор был обнаружен на месторождении впервые и назван мрамором «Доверие».

В 2002 году началось проектирование горного предприятия по добыче этих мраморов комбинированным способом: на склоне полезная толща разра-

батывается карьером, вглубь склона -подземным способом.

К настоящему времени разработан проект рудника «Доверие», пройдена главная штольня длиной 45 м и начата проходка вентиляционных штреков. Учитывая, что добыча облицовочных мраморов подземным способом осуществляется в России впервые, особое внимание было уделено параметрам очистных выработок и целиков, которые рассчитывались по литературным значениям физико-механических свойств мраморов Кибик-Кордонского месторождения, в которых значения для мраморов «Доверие» отсутствовали.

Для получения конкретной информации по механическим свойствам мраморов полезной толщи рудника «Доверие» и уточнения соответствия добываемых мраморов требованиям ГОСТа 9479-98 «Блоки из горных пород для производства облицовочных, архитектурностроительных и других изделий» были проведены испытания в лаборатории кафедры «Физика горных пород и процессов» Московского государственного горного университета (МГГУ).

Образцы мрамора были представлены лаборатории в виде призм размером 50х50х50 мм, 40х40х60 мм и готовых изделий - плит размером 300х300х30 мм, которые подвергались распиловке

Таблица 1

Характеристики физико-механических свойств мраморов и ГОСТы, устанавливающие соответствующие методы испытаний

Показатели физико-механических свойств Государственные стандарты, устанавливающие соответствующие методы испытаний

Объемная масса ГОСТ 30629-99

Влагоемкость ГОСТ 30629-99

Предел прочности при растяжении ГОСТ 21153.4-84

Предел прочности при сжатии ГОСТ 21153.4-84

Снижение пределов прочности в водонасыщен-ном ГОСТ 30629-99

состоянии

Предел прочности на растяжение при изгибе ГОСТ 30629-99

Модуль деформации ГОСТ 28985-91

Модуль упругости ГОСТ 28985-91

Коэффициент Пуассона ГОСТ 28985-91

Сцепление ГОСТ 21153.8-88

Угол внутреннего трения ГОСТ 21153.8-88

до размеров образцов, установленных ГОСТами. Отметим, что призмы были ориентированы по напластованию без строгой привязки к месту отбора.

В табл. 1 приведены показатели физико-механических свойств мраморов, которые предполагалось определить в результате испытаний, и государственные стандарты, устанавливающие методы проведения соответствующих испытаний.

Объемная масса, влагоемкость. Объемная масса определялась по результатам взвешивания образцов, после этого образцы измерялись, вычислялся их объем, а затем объемная масса с :

с = —,

где т - масса образца, кг; V - объем об-

3

разца, м .

Объемная масса определялась как для сухих образцов, так и при их полном влагонасыщении. Для определения масс сухих и влажных образцов они высушивались до постоянной массы, затем взвешивались и укладывались в один

ряд в емкость с водой, имеющей температуру (20+5) оС. При этом уровень воды был выше верха образцов не менее чем на 20 мм.

После выдерживания в воде в течение 48 часов образцы извлекались из емкости и снова взвешивались. По значениям масс сухих и влажных образцов определялась их влагоемкость (водопо-глощение) Wп по формуле 1 *

^ = 1_ где т1 и т - массы образцов в насыщенном водой и сухом состоянии соответственно, кг.

Результаты определения объемной массы и влагоемкости образцов мрамора приведены в табл. 2.

Прочностные характеристики.

Предел прочности при растяжении представленных образцов определялся методом многократного раскалывания пластин мрамора клиньями с длиной лезвия, превышающей наибольший линейный размер образцов. Угол заточки клиньев составлял 900, а радиус закругления лезвий - (5+1) мм (ГОСТ 21153.484). Указанный метод определения пре-

Таблица 2

Объемная масса и влагоемкость представленных для испытаний образцов мрамора

Показатели Сухие образцы мрамора Образцы мрамора при полном влаго-насыщении

Объемная масса, кг/м3 2680 2694

Среднеквадратичное отклонение 22,9 30,0

Коэффициент вариации 0,85 1,0

Влагоемкость (водопоглащение) 0,48 -

дела прочности при растяжении основан на измерении приложенной через клинья к образцу силы, под действием которой внутри образца возникают растягивающие напряжения, приводящие к разрушению породы по поверхности раскола (разрыва), проходящей через ось нагружения. Предел прочности породы при этом вычисляется по формуле:

У =

где

Снижение прочности образцов мрамора в водонасыщенном состоянии вычислялось по формулам:

ДУ =

У -у .

ду =

У

У У

У

максимальная разрушающая

нагрузка, Н; 5” - фактическая площадь

2

раскола, м .

Предел прочности при одноосном сжатии определялся по ГОСТ 21153.484, согласно которому:

^ ,

где Рсж - максимальная разрушающая нагрузка при сжатии образца, Н; 5 -средняя площадь поперечного сечения образца породы, равная полусумме площадей параллельных поверхностей

образца до его нагружения, к которым

2

прикладывалась нагрузка, м .

Показатели прочностных характеристик представленных образцов мрамора определялись по результатам испытаний образцов в сухом и водонасыщенном состоянии (методика подготовки образцов для таких испытаний описана выше).

где Ду и Дуж - соответственно

снижение прочности породы при растяжении и сжатии в водонасыщенном состоянии, %; Дур и ДуР - пределы прочности породы при растяжении в сухом и водонасыщенном состоянии, МПа: Дуж и Ду% - пределы прочности породы при сжатии в сухом и водонасыщенном состоянии, МПа.

Кроме этого, были проведены испытания для определения предела прочности мрамора на растяжение при изгибе и характеристик сдвиговой прочности -сцепления и угла внутреннего трения. Испытания для определения предела прочности на растяжение при изгибе проводились по трехточечной схеме нагружения на сухих и влажных образцах размером 50х30х250 мм, выпиленных из мраморных плит. Предел прочности на растяжение при изгибе вычислялся по формуле:

Л

Таблица 3

Прочностные характеристики представленных для испытаний образцов мрамора

Показатели Сухие образцы мрамора Образцы мрамора при полном влагонасыщении

Предел прочности при растяжении стр, МПа 10,3 7,6

Снижение предела прочности при растя-жении в водонасыщенном состоянии Астр, % - 26

Предел прочности при сжатии стсж, МПа 45,2 34,1

Снижение предела прочности при сжатии в водонасыщенном состоянии Астсж, % - 24,6

Предел прочности на растяжение при изгибе 20,1 18,6

^из^ Снижение предела прочности на растяжение

при изгибе Астизг в водонасыщенном состоянии, МПа Сцепление, МПа: 7,4

- по паспорту прочности 10,5 8,5

- расчетное Угол внутреннего трения, град: 11,4 8,0

- по паспорту прочности 43,0 40,0

- расчетный 40,0 39,4

где Р - максимальная нагрузка при разрушении образца, Н; - расстояние между опорами, м; Ь и h - соответственно ширина и толщина образца, м.

Характеристики сдвиговой прочности определялись графически по паспортам прочности мрамора, построенным по ГОСТ 21153.8-88, и расчетным путем по формулам:

- сцепление породы

^ у ;

- угол внутреннего трения

У У •ЗУ )

где Дуж и Дур - пределы прочности

породы при сжатии и растяжении, соответственно, МПа.

Результаты определения комплекса прочностных характеристик представленных для испытаний образцов мрамора приведены в табл. 3.

Дополнительно была проведена серия испытаний образцов со строгой ориентацией по пласту для выявления влияния напластования (слоистости) на прочностные характеристики мрамора. Образцы мрамора размером 50х50х50 мм в количестве 20 штук нагружались

на прессе как параллельно (|| ), так и перпендикулярно (^) слоистости. Испытания были проведены на сухих и влажных образцах, что позволило установить снижение прочности мрамора при увлажнении. Результаты испытаний приведены в табл. 4.

Анализ приведенных результатов показывает, что предел прочности мрамора при сжатии перпендикулярно слоистости асж(1) превышает этот же показатель параллельно слоистости стсж(|| ) в

1,5 раза. Вместе с тем, снижение прочности при сжатии образцов во влажном состоянии по сравнению с сухими об-

Таблица 4

Прочностные характеристики образцов мрамора в зависимости от напластования

Характеристика образцов Предел прочности при одноосном сжатии Стсж, МПа Снижение предела прочности при увлажнении Дстсж, %

Сухие параллельно слоистости стсж(|| ), МПа 28,3 -

Влажные параллельно слоистости стсж(|| ), МПа 27,1 4,2

Сухие перпендикулярно слоистости <гсж(±), МПа 43,7 -

Влажные перпендикулярно слоистости <гсж(±), МПа 29,5 32,5

разцами перпендикулярно слоистости превышает этот же показатель параллельно слоистости более чем в 7,7 раза. Эти результаты следует учесть как при добыче блоков мрамора из массива горных пород, так и при производстве готовых изделий - облицовочных плит и их применении при облицовке.

Деформационные свойства мрамора (модуль деформации, модуль упругости и коэффициент Пуассона) были определены по результатам ис-пытаний образцов в учебно-научном центре «Геомеханика» МГГУ и ООО «Подземгаз-пром». Испытания проводились на образцах размером 40х40х60 мм в камере запредельного деформирования БВ-21 (конструкции ВНИМИ), которая размещалась на гидравлическом прессе Еи-100.

Методика испытаний заключалась в нагружении образца с постоянной

скоростью деформирования 8 = 2-101

1/с до достижения максимального его уплотнения и последующей разгрузке образца практически до нуля. Далее нагрузка повышалась до значения на 20-30 % превышающего нагрузку максимального уплотнения образца. Затем образец снова разгружался. После этого нагрузка на образец вновь увеличивалась до перехода породы в запредельное состояние. По результатам

экспериментов строились полные граммы деформирования образцов мрамора (рис. 1 и рис. 2).

Модуль деформации мрамора Ед вычислялся как отношение максимальных напряжений Сті, возникающих в образце, к соответствующей продольной деформации образца е1. Упругие характеристики мрамора (модуль упругости Е и коэффициент Пуассона V) в упругой зоне диаграммы как отношения:

= У- и Н Є

е е

где у, - продольные напряжения в образце, МПа; 8, и 83 - относи-тельные продольные и поперечные деформации образца, соответственно.

Результаты определения деформационных характеристик мрамора, усредненные по всем испытанным образцам, представлены в табл. 5.

Таблица 5

Деформационные характеристики мрамора

Показатели Значения показателей

Модуль деформации 8,6103

Ед, МПа

Модуль упругости Е, 11,0103

МПа

Коэффициент Пуас- 0,25

сона V

Рис. 1. Полная диаграмма де-формиования образца мрамора «Доверие»:

а - зависимость «продольные де-формации-продольные напряжения»; б - зависимость «продольные напряжения-попе-речные деформации»

Рассмотрим далее сравнительную характеристику исследованных мраморов по основным показателям физико-механических свойств в соответстви с требованиями ГОСТа 9479-98 (табл. 6).

Анализ полученных результатов с позиции соответствия физико-механи-ческих свойств исследо-ванных образцов мрамора требовании 0.002 -р/--ч ґ-\грі

ям, установлен-ным ГОСТом 9479-98, по-казывает, что образцы мра-мора «Доверие» в целом соответствуют предъявляемым требованиям.

Несоответствие заключается в более низких показателях предела прочности при одноосном сжатии и значительном снижении прочности перпендикуляр-но слоистости при увлажнении образцов.

Согласно требованиям ГОСТ 9479-98 допускается изготовление блоков из горных пород с показа-

телями физических свойств

Рис. 2. Фрагменты полной диаграммы деформирования образца мрамора «Доверие»: а - раз-грузка-нагру-жение образца; в -зависимость «поперечные-

продольные де-формации»

0

0.002

0.004

0.006

-0.014

-0.012

-0.01

-0.008

-0.006

-0.004

-0.002

Таблица 6

Сравнительная характеристика испытанных образцов мрамора по физико-механическим свойствам

Показатели По ГОСТ 9479-98 По результатам испытаний

Средняя плотность, кг/м3 Не менее 2680 (сухие образцы)

2600 2694 (влажные образцы)

Водопоглащение, % Не более 0,48

0,75

Предел прочности породы при сжа- Не менее 45,2

тии в сухом состоянии, МПа 60,0

Снижение прочности при сжатии в Не более 24,6

водонасыщенном состоянии, % 30

менее указанных при обязательном технико-экономическом обосновании долговечности облицовочных изделий из них с учетом климатических условий строительства. Такие условия для облицовочных плит, изготовленных из мраморов «Доверие», могут быть обеспечены при их использовании в закрытых

помещениях и при небольших нагрузках.

Результаты проведенной работы по определению значений показателей физико-механических свойств мрамора «Доверие» рекомендованы к использованию при проведении аналитических расчетов в процессе геомеханического мониторинга строящегося рудника. ШИН

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

Анощенко Н.Н. - кандидат технических наук, ОАО «МКК-Холдинг»,

Давиденко Б.Ю. - кандидат технических наук, Московский государственный горный университет,

Христолюбов В.Д. - кандидат технических наук, Московский государственный горный университет,

Тавостин М.Н. - кандидат технических наук, ООО «Подземгазпром»,

Терехов А.Г. - аспирант, Московский государственный горный университет.

Рецензент д-р техн. наук, проф. Ю.В. Кириченко.

А