Свойства материалов при термомеханическом воздействии и их влияние на технологию ведения горных работ Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

© М.Д. Новопашин, А.С. Курилко, 2005

УДК 622

М.Д. Новопашин, А.С. Курилко

СВОЙСТВА МАТЕРИАЛОВ ПРИ ТЕРМОМЕХАНИЧЕСКОМ ВОЗДЕЙСТВИИ И ИХ ВЛИЯНИЕ НА ТЕХНОЛОГИЮ ВЕДЕНИЯ ГОРНЫХ РАБОТ

~П настоящее время значительная часть месторождений по-АДлезных ископаемых, расположенных на Северо-Востоке, страны не разрабатывается. В частности, в условиях Якутии доля активных запасов составляет по золоту 30 %, олову - 20 %, 10 % -по углю Ленского бассейна, 0 % - по железной руде, вольфраму и другим полезным ископаемым. Аналогичная ситуация сложилась и в целом по Северо-Востоку РФ. В условиях Севера, с его неразвитой инфраструктурой и суровыми природно-климатическими условиями традиционные технологии добычи и обогащения полезных ископаемых могут обеспечить конкурентоспособность только на уникальных месторождениях.

Ситуация может быть в значительной степени изменена, если будут разработаны современные технологии, позволяющие вести разработку месторождений с высокой степенью рентабельности. Это станет возможным только тогда, когда мы будем достаточно глубоко понимать закономерности поведения геоматериалов в условиях криолитозоны. Добиться этого невозможно без глубокого изучения физико-механических свойств материалов при воздействии различных факторов: механического воздействия, воздействия температуры, влаги и т.д.

В институте горного дела Севера в течение ряда лет проводятся систематические исследования влияния знакопеременного температурного воздействия на прочностные массообменные свойства горных пород [1-3].

Проведены исследования массообменных характеристик песков россыпного месторождения золота Нижний Куранах различного гранулометрического состава - от песка до глины. Коэффициенты фильтрации в породах меняются от 610-5 м/с в песке до 110-9 м/с в глине и смесях, содержащих больше 60 % глины.

X ТС-р без

промораживания

о W т без

промораживания

Д Wр после циклов промораживания-оттаивания

□ W т после циклов промораживания-оттаивания

0 20 40 60 80 100

содержание глины, %

Рис. 2. Зависимость коэффициента диффузии влаги в песчано-глинистых по-

риСах10 тШЯЯШжШЗШ:йШШ1я циклов замораживания - оттаивания на коэффициентыI фильтрации

При замерзании глинистых дисперсных материалов в результате миграции влаги в них образуется так называемая криогенная текстура, характеризующаяся наличием прожилок чистого льда в промороженном материале. После оттаивания породы вода проходит через поры образовавшейся посткриогенной текстуры. Воздействие циклов замораживания-оттаивания привело к тому, что коэффициенты фильтрации в исследованных породах возрастали до 10-6 м/с, т.е. на 2 порядка [1].

На рис. 1 показаны закономерности изменения коэффициента фильтрации в зависимости от содержания глинистой фракции в песчано-глинистых смесях различного состава. Две нижние линии графика соответствуют зависимости коэффициента фильтрации от содержания глинистой составляющей смеси

при плотностях, соответствующих нижнему и верхнему пределам пластичности дисперсного материала. Две верхние линии показы-

вают величину коэффициента фильтрации песчано-глинистых смесей, подвергнутых циклам замораживания-оттаивания при влажностях, близких к верхнему и нижнему пределам пластичности.

Как видно из графика на рис. 2, воздействие циклов замораживания-оттаивания на глинистые породы, находящиеся в пластичном состоянии, приводит к увеличению коэффициента диффузии на два-три порядка.

Предложена технология криогенной подготовки глинистых руд к кучному выщелачиванию, базирующаяся на увеличении скорости фильтрации растворов через глину, подвергшуюся замораживанию-оттаиванию, что позволяет на порядок увеличить высоту слоя отсыпки.

Эксперименты по изучению размокаемости показали, что исследованные нами глины и суглинки в пластичном состоянии

не размокают. Супеси размокают, причем скорость размокания возрастает при уменьшении содержания глины и влажности.

Мерзлые образцы всех пород распадались при погружении в воду в течение нескольких минут. Скорость размокания близка к скорости оттаивания пород.

Водопрочность глин и суглинков в талом состоянии после воздействия на них циклов замораживания-оттаивания резко снижается, и они переходят из класса неразмокаемых в класс размокаемых пород [1].

220 230 240 250 260 270 280 290 300

Температура, К

Рис. 3. Относительная прочность горных пород в зависимости от температуры; 1 - глинистый доломит; 2 - глинистый известняк; 3 - битумизированый глинистый известняк; 4 - доломит мергелистый; 5 - битумизированый известняк

Предложена технология криогенной подготовки глинистых труднопромывистых песков. Улучшение промывистости высокоглинистых песков достигается за счет их зимней послойной промо-розки, складирования мерзлых песков в виде конусного отвала возле промприбора и промывки в летний период.

Исследования морозостойкости скальных пород проводили на образцах вмещающей породы (рис. 3) и кимберлита (рис. 4) трубки «Удачная».

0 Н--------1------1-------1--------1------1-------1-------1---------

220 230 240 250 260 270 280 290 300

Температура, К

Рис. 4. Зависимость прочности кимберлита от температуры

Циклы

-Ф-Ы1 -И-Ы2 А N 3 X N4 Ж N 5 -*-ср

Рис. 5. Изменения относительной прочности образцов горных пород после воздействий циклов замораживания-оттаивания. Минералогическая характеристика образцов горных пород по сериям: 1 - глинистый доломит; 2 - глинистый известняк; 3 - битумизированый глинистый известняк; 4 - доломит мергелистый; 5 - битумизированый известняк

100

90

80

70

60

50

40

30

20

10

0

- — | | и

0--3 3--6 6--9 9--15

Пористость, %.

□ Частота встреч □ Разрушевшиеся образцы

Рис. 6. Доля разрушившихся образцов кимберлитов в зависимости от пористости

Результаты экспериментов показывают, что при понижении температуры от комнатной до 268-257К происходит потеря прочности вмещающей породы в среднем на 50 % (кимберлита на 45 %). При дальнейшем снижении температуры прочность горных пород возрастает и достигает значений, которые имели породы при комнатной температуре. При переходе свободной воды в лед происходит увеличение объема на 9 %, за счет чего возникает расклинивающее напряжение. Внутренние напряжения возрастают в процессе интенсивного замерзания поровой влаги в породе. С прекращением роста кристаллов льда рост внутренних напряжений прекращается. В породах, насыщенных пресной водой, интенсивное замерзание воды происходит при 273-270К. В породах, насыщенных растворами солей, диапазон температуры интенсивных фазовых переходов смещается в зону более низких температур и может достигать, в зависимости от концентрации и состава растворов, 250К и ниже. При дальнейшем понижении температуры поровый

лед цементирует и упрочняет породу. С этим связано увеличение прочности породы после того, как температура становится ниже температур интенсивных фазовых переходов [2]

Были проведены исследования влияния циклов замораживания-оттаивания на прочностные свойства горных пород. Они показали, что прочность образцов пород падает с увеличением числа циклов. Степень ослабления прочности зависит как от типа породы, так и от степени водонасыщения образцов. Для образцов, замерзавших в водной среде, показано, что при циклическом температурном воздействии на карбонатные породы с алмазных месторождений Якутии их прочность снижается вплоть до полного саморазрушения (рис. 5) [1].

Проведены исследования морозостойкости кимберлитовой руды трех трубок: "Удачная-Восточная", "Юбилейная", "Интернациональная", которые показали, что при циклическом замораживании-оттаивании происходит самопроизвольная дезинтеграция кимберлитовой руды. Дезинтеграция зависит от открытой пористости кимберлитов и тем выше, чем больше пористость. В кимберлитах с пористостью более 9 % дезинтеграция наблюдалась у 74 % образцов (рис. 6) [3].

Эти эффекты необходимо учитывать при ведении горных работ, в частности, если исключить суточные циклы замораживания-оттаивания, а в отдельных районах Якутии их количество в течение года может достигать 100 и более, то устойчивость горных выработок может быть существенно повышена. Эти эффекты при соответствующем развитии могут использоваться и в процессах обогащения, например, кимберлит полностью дезинтегрируется после трех циклов замораживания-оттаивания. Естественно, что повреждаемости кристаллов алмазов в процессе обогащения не будет.

В настоящее время в компании АК АЛРОСА используется разработанная в Институте технология теплоизоляции выработок с целью уменьшения влияния термодеформационных циклов и повышения устойчивости горных выработок (рудник Айхал) и бортов карьера (карьер Мир). Опытно-промышленная эксплуатация показала высокую эффективность разработанной технологии.

------------------------------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Курилко А. С. Экспериментальные исследования влияния циклов замораживания-оттаивания на физико-механические свойства горных пород [Текст] / А.С. Курилко. - Якутск: ЯФ ГУ «Изд-во СО РАН», 2004. - 153 с. - КБЫ 5-46300088-3.

2. Курилко, А. С. Исследование влияния температуры на прочность горных пород [Текст] / А.С. Курилко, М. Д. Новопашин // ФТПРПИ.- 2005. - №2.- С. 32-36.

3. Курилко А.С. Исследование морозостойкости кимберлитов [Текст] / А.С. Курилко // Наука и образование.- 2005.- №1.- С. 61-69.

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

Новопашин М.Д. - доктор технических наук, профессор, директор,

Курилко А.С. - кандидат технических наук, заведующий лабораторией,

Институт горного дела Севера СО РАН

--------------------------------------------------- ИЗДАТЕЛЬСТВО

МОСКОВСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО ГОРНОГО УНИВЕРСИТЕТА

ПРЕДЛАГАЕТ

Певзнер М.Е.

Горное право: Учеб. для вузов. — 2-е изд., перераб. и доп. — М: Издательство Московского государственного горного университета. — 375 с.

КВЫ 5-7418-0016-5 (в пер.)

Приводятся основные понятия и определения, характеризующие горное право как самостоятельную отрасль права. Рассматриваются ресурсы недр как объект отношений недропользовання, право собственности в недропользовании, виды и особенности пользования недрами, основные права и обязанности недропользователей, государственное регулирование отношений недропользования, платность пользования недрами, правовое регулирование пользования недрами на континентальном шельфе и на условиях соглашения о разделе продукции, страхование недропользовання, ответственность за нарушение законодательства о недрах, история развития горного законодательства в России и опыт регулирования отношений недропользования в зарубежном законодательстве, основные направления развития и совершенствования законодательства о недрах в России.

Для студентов высших учебных заведений, обучающихся на горных специальностях, и работников горнодобывающей промышленности.

УДК 622:34(075) ББК 67.99(2)5

---------------------------------------- © А.М Фрейдин, С.А Неверов,

2005

УДК 622.273.132