Оценка качества горных пород карелии на основе термокинетической теории разрушения твердых тел
На правах рукописи
МЯСНИКОВА Оксана Владимировна
ОЦЕНКА КАЧЕСТВА ГОРНЫХ ПОРОД КАРЕЛИИ
НА ОСНОВЕ ТЕРМОКИНЕТИЧЕСКОЙ ТЕОРИИ
РАЗРУШЕНИЯ ТВЕРДЫХ ТЕЛ
Специальность 25.00.20
«Геомеханика, разрушение горных пород,
рудничная аэрогазодинамика и горная теплофизика»
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Апатиты
2012
Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институте геологии Карельского научного центра Российской академии наук, г. Петрозаводск.
Научный руководитель:
доктор технических наук, профессор
Менжулин Михаил Георгиевич
Официальные оппоненты:
доктор технических наук
Козырев Сергей Александрович
кандидат физико-математических наук
Махмудов Хайрулло Файзуллаевич
Ведущая организация: Открытое акционерное общество «Научно-исследовательский институт горной геомеханики и маркшейдерского дела - Межотраслевой научный центр ВНИМИ»
Защита диссертации состоится 15 ноября 2012 года в 16 часов 00 минут на заседании диссертационного совета Д002.029.01 при Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Горном институте Кольского научного центра Российской академии наук по адресу: 184209, г. Апатиты Мурманской области, ул. Ферсмана, д.24.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГоИ КНЦ РАН
Автореферат разослан «05» октября 2012 года
Ученый секретарь
диссертационного совета, к.т.н. О.Е.Чуркин
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы. Потребность в высокопрочном щебне из магматических горных пород в РФ в настоящее время удовлетворяется на 20-30%.
Возрастающий спрос на высокопрочный щебень для строительства дорог и ответственных сооружений, и как следствие вовлечение в освоение новых месторождений для производства щебня поднимает проблему оценки физико-механических свойств как горной породы, так и щебня до начала разработки карьера. Такие оценки позволяют прогнозировать возможности получения щебня с высокими прочностными свойствами. Разрушение горной породы начинается с момента ее кристаллизации из расплава и продолжается в течение всего «жизненного цикла» вплоть до разрушения. Приложение разнообразных физических и механических нагрузок при добыче и дезинтеграции горных пород вызывает дальнейший рост дефектов и микротрещин, включая зарождение новых, что в первую очередь сказывается на эксплуатационных свойствах и долговечности строительного камня (щебня). Исследованию процессов разрушения горных пород и развитию трещинообразования посвящен целый ряд работ отечественных и зарубежных ученых, в том числе В.В. Адушкина, В.А. Боровикова, Ф.Ф. Горбацевича, М.Ф. Друкованого, С.Н. Журкова, А.А. Козырева, С.А. Козырева, В.С. Куксенко, С.В. Лукичева, М.Г. Менжулина, В.Н. Мосинца, В.А. Петрова, А.Г. Протосени, В.В. Ржевского, В.Н. Родионова, М.А. Садовского, А.Н. Ставрогина, А.Н. Ханукаева, В.Я. Черткова, В.А. Шекова, Е.И. Шемякина; А. Гриффитса, Дж. Ирвина, Г. Нейбера, Дж. Нотта, Л. Оберта, А. Фрейденталя и других. Влияние процесса технологического передела на изменение прочностных свойств продуктов дробления при производстве щебня исследовано недостаточно. Качество горной породы, предназначенной для производства щебня, определяется, практически, на ранних стадиях геологического изучения месторождения.
Известные методы определения технических характеристик строительного камня, в основном, базируются на разрушающих методах исследования и не позволяют проводить длительные наблюдения за поведением горных пород в различных физических полях. Для горных пород в силу неоднородности их состава и строения невозможно найти два образца с идентичными свойствами. Неразрушающие методы позволяют исследовать свойства горных пород в различных условиях нагружения на одних и тех же образцах.
Высокие требования, предъявляемые к качеству строительного камня для производства щебня, ставят задачу разработки неразрушающих методов оценки прочностных свойств и долговечности горных пород. Изменения этих свойств в процессе технологического передела относится к актуальной научной и практической задаче.
Цель работы. Разработка метода оценки термокинетических свойств и долговечности горных пород и изменения этих свойств в процессе эксплуатации.
Идея работы. Прогнозные характеристики прочности различных фракций щебня из магматических горных пород, обладающих необходимой долговечностью при промышленном разрушении скальных горных пород для обеспечения строительства дорог, могут быть установлены на основе термокинетической теории разрушения с учетом их микротрещиноватости.
Задачи исследования:
1. Изучить влияние микротрещиноватости природного камня на термокинетические свойства магматических горных пород.
2. Оценить изменения прочностных свойств горных пород при физических воздействиях.
3. Исследовать динамику микротрещинообразования и сопутствующий характер изменения физико-механических свойств горных пород при воздействии циклических нагрузок.
4. На основе исследования микротрещиноватости горных пород разработать метод оценки прочностных характеристик щебня.
Методы исследований. Общей теоретической и методологической базой диссертационной работы послужили труды отечественных и зарубежных ученых и практиков в области теории разрушения горных пород, методов оценки их прочности и ее изменения при различных режимах нагружения. При решении поставленных задач использовались методы физики и механики формирования дефектов и трещин при механическом нагружении горных пород, физическое моделирование, лабораторные и экспериментальные исследования, статистическая обработка результатов экспериментов.
Защищаемые научные положения:
- Прочностные свойства горных пород различных месторождений необходимо оценивать с учетом их долговечности.
- Степень микротрещиноватости, необходимая для оценки прочностных свойств горных пород, определяется на основе экспериментальных данных об эффективной пористости.
- Изменение прочностных свойств щебня и долговечности горных пород в процессе эксплуатации может быть рассчитано на основании измерений термокинетических параметров горных пород и их водопоглощения.
Научная новизна работы:
- Установлена закономерность влияния микротрещиноватости гранитов различных месторождений на их термокинетические свойства и долговечность, позволяющая сформулировать критерии оценки качества природного камня для производства высокопрочного щебня.
- Предложен метод оценки прочностных свойств гранитов в процессе технологического передела, основанный на измерении микротрещиноватости горной породы.
- Разработана методика, позволяющая прогнозировать прочность и долговечность горных пород различных фракций.
Достоверность научных положений обеспечивается большим объемом проанализированной и обобщенной информации о влиянии параметров микротрещиноватости на физико-механические свойства магматических горных пород при экзогенных и технологических нагрузках; достаточной сходимостью теоретических и экспериментальных зависимостей эффективной пористости (водопоглощения) от микродефектности; физической обоснованностью постановки и решения задач.
Практическая значимость:
- Разработан метод оценки изменения параметров микротрещиноватости магматических горных пород на основе изменения их эффективной пористости, позволяющий анализировать поведение строительного камня в различных условиях.
- Показано, что снижение прочности и долговечности горных пород связано с ростом показателя микронарушенности в течение всего «жизненного цикла» строительного камня и может быть использовано для прогнозирования долговечности щебня при его эксплуатации.
- Разработан метод прогнозирования изменения прочностных свойств и долговечности щебня ряда месторождений в процессе эксплуатации.
Реализация результатов работы. Результаты исследований были получены в процессе выполнения работ в рамках тем НИР ИГ КарНЦ РАН «Прогноз развития и выявления сырьевой базы строительного камня для производства высокопрочного щебня на территории Республики Карелия» и «Геологические и тектонофизические закономерности формирования месторождений блочного камня в юго-восточной части Фенноскандинавского щита».
Применение разработанных методов оценки качества магматических горных пород апробированы в аккредитованном Испытательном центре ИГ КарНЦ РАН, в НМСУ «Горный», на карьерах Ленинградской области и Республики Карелия.
Апробация работы. Основные положения работы докладывались и получили положительную оценку на международных научных конференциях «Физические проблемы разрушения горных пород» (г. Санкт-Петербург, 2000), «Комплексное использование природного и техногенного сырья Баренцева региона для получения строительных материалов» (г. Апатиты, 2003), на всероссийских конференциях с международным участием «Проблемы рационального использования природного и техногенного сырья Баренцева региона в технологии строительных и технологических материалов» (г. Петрозаводск, 2005), «Связь поверхностных структур земной коры с глубинными» (г. Петрозаводск, 2008), «Физико-химические и петрофизические исследования в науках о Земле» (г. Москва, 2009), «Проблемы рационального использования природного и техногенного сырья Баренцева региона в технологии строительных и технических материалов» (г. Архангельск, 2010), «Каменные строительные материалы России: проблемы, решения» (г. Петрозаводск, 2010), «Геология и стратегические полезные ископаемые Кольского региона» (г. Апатиты, 2012), «Глубокие карьеры» (г. Апатиты, 2012); на научном симпозиуме «Неделя горняка» (г. Москва, 2007); на I и III семинарах по технологической минералогии (г. Петрозаводск, 2006 и 2009).
Личный вклад автора заключается в постановке и проведении экспериментальных исследований, изучении влияния наведенной трещиноватости на прочностные характеристики природного камня, разработке неразрушающего метода прогноза прочностных характеристик магматических горных пород в процессе технологического передела, основанного на изменении эффективной пористости, разработке экспериментальных методов оценки прочностных и термокинетических параметров горных пород Карелии (энергии активации разрушения, структурного коэффициента), обосновании механизма потери прочностных свойств камня, обусловленной трещинообразованием в процессе эксплуатации.
Публикации. По теме диссертации опубликована 21 печатная работа (в том числе 5 статей в изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки РФ, и 1 монография).
Структура и объем работы: диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и библиографического списка. Общий объем диссертации 129 страниц. В тексте представлены 31 рисунок, 17 таблиц, 82 формулы и список литературы из 108 наименований.
Автор искренне благодарен своему научному руководителю д.т.н. М.Г. Менжулину за постоянное внимание и консультации в ходе работ, научному руководителю тем НИР к.т.н. В.А. Шекову за практические советы и рекомендации при решении рассматриваемых проблем, директору ИГ КарНЦ РАН д.г-м.н. В.В. Щипцову за помощь и доброжелательное отношение, д.г-м.н. Н.В. Шарову за внимание к работе, сотрудникам лаборатории геологии, технологии и экономики минерального сырья за обсуждение результатов работы и помощь в проведении экспериментальных исследований. Автор признателен коллегам из ГИ КНЦ РАН д.т.н. Ф.Ф. Горбацевичу, к.т.н. М.В. Ковалевскому, О.М. Тришиной за оказанную помощь в проведении экспериментальных исследований и обсуждении некоторых положений диссертации.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Диссертационная работа базируется на трудах отечественных и зарубежных ученых в области разрушения горных пород и развития трещинообразования.
В первой главе представлено современное состояние добычи нерудных строительных материалов (щебня) в Российской Федерации. Изложены основные положения теории разрушения и состояние вопроса о степени влияния естественной и наведенной микротрещиноватости на прочностные свойства магматических горных пород. Выполнен обзор методов оценки физических и механических свойств щебня. Определены цели и задачи исследования.
Во второй главе рассмотрены термокинетические параметры горных пород (энергия активации разрушения, прочность, структурный коэффициент, долговечность), характеризующие нарушенность материала. Приведены аналитические соотношения для оценки термокинетических параметров среды и механизмов разрушения. Показано влияние микротрещиноватости на физико-механические свойства горных пород. Выполнены экспериментальные измерения и расчеты энергии активации, структурного коэффициента и долговечности горных пород месторождений строительного камня Республики Карелия, потенциально пригодных для получения щебня. Показано, что горные породы характеризуются значениями долговечности, позволяющими оценивать пригодность отдельных месторождений для строительства дорог.
В третьей главе исследована динамика наведенной микротрещиноватости при разнообразных физических нагрузках на горную породу. Выполнено моделирование разрушения горных пород при нарастающем количестве циклов замораживания-оттаивания и рассмотрен сопутствующий характер изменения физико-механических свойств. Проведено сравнение экспериментальных результатов с расчетными значениями, полученными при разрушении образцов с искусственными концентраторами напряжений. Предложен метод оценки микронарушенности горных пород по показателю эффективной пористости (водопоглощения).
В четвертой главе рассмотрены механизмы разрушения горной породы при дезинтеграции на щебень. Приведены результаты экспериментальных исследований физико-механических и термокинетических свойств щебня. Выполнено исследование процесса разрушения фрагмента горной породы при дроблении. Определена корреляционная зависимость дробимости (прочности) по фракциям щебня от микродефектности. Приведен метод оценки прочности и дробимости в зависимости от размера кусков материала, позволяющий оценить изменения прочности горной породы в процессе технологического передела показателями эффективной пористости и водопоглощения.
Основные результаты работы отражены в следующих защищаемых положениях:
1. Прочностные свойства горных пород различных месторождений необходимо оценивать с учетом их долговечности.
В естественном состоянии магматическим горным породам, как многокомпонентным неоднородным полиминеральным структурам, присущи различного рода дефекты строения и разрывы сплошности среды в виде микротрещин. В горной породе между молекулами существуют сложные взаимодействия, характеризующиеся определенными энергетическими состояниями и формами. В результате появления критических флуктуаций в поле механических напряжений происходит разрушение существующих связей с последующим образованием дефектов и микротрещин кристаллической решетки. Следовательно, долговечность представляет собой время от начала приложения нагрузки и до разрушения материала на части. В кинетической теории прочности долговечность определяется по формуле С.Н. Журкова:
, (1)
где U0–энергия активации разрушения, Дж/моль; 0–коэффициент, численно равный периоду тепловых колебаний атомов в кристаллической решетке, с; –структурный коэффициент (активационный объем разрушения), м3/моль; –действующее напряжение, Па; R–универсальная газовая постоянная, Дж/моль°К; Т–температура, К.
С точки зрения кинетической теории механического разрушения долговечность является фундаментальной характеристикой прочности материала и зависит от приложенного напряжения и температуры.
М.Г. Менжулиным получено соотношение для изменения микротрещиноватости среды :
,
(2)
где 0–начальная микротрещиноватость.
При переходе в новое фазовое состояние на поверхности трещин изменяется энергия упругого взаимодействия между молекулами, частота колебаний и энергия дефектов.
Изменение энергии упругого взаимодействия среды определяется в виде:
, (3)
где Vv–удельный объем среды в кристаллическом монолитном состоянии, Vs–удельный объем среды на поверхности трещины, Vsv–изменение удельного объема среды при плавлении, и составляет
, (4)
где -–структурный коэффициент для растягивающего напряжения:
, (5)
где a0–постоянная кристаллической решетки, Nav–число частиц, которое содержит 1 моль вещества (постоянная Авогадро), l–эффективная длина трещины.
Для трещин сдвига энергия Ех определяется:
, (6)
где 0–напряжение в монолитной кристаллической среде, Vпл. 0,1V0–увеличение удельного объема в расплаве (V0–удельный объем кристаллической среды при нормальных условиях).
Структурный коэффициент при сдвиговых нагрузках (сд):
,
(7)
где –молярная масса горной породы; –плотность материала.
Из экспериментальных исследований, проведенных сотрудниками ИГ КарНЦ РАН в разные годы, установлено, что реальная прочность горной породы зависит от размеров и количества дефектов и трещин. Это обусловлено существованием повышенного уровня напряжений в окрестностях вершин трещин по сравнению с напряжением для изотропной среды и взаимодействием смежных трещин. Для породы в естественном состоянии можно установить некоторую эффективную длину трещины 
, соответствующую максимуму распределения трещин по размерам, определяющую экспериментальную прочность горной породы (рис. 1).
Из графика следует, что эффективная длина естественных микротрещин 
составляет 0,20,3 мм.
В условиях наличия огромного количества природных концентраторов напряжений (микротрещин) в образце горной породы разрушение методом растяжения при изгибе может произойти в любой точке.
Рис. 1. Распределение микротрещин по размерам в гранитах
Для разрушения образцов горной породы в заданном сечении были искусственно созданы надрезы различного размера. Проведена оценка прочности образцов гранита с искусственно созданными надрезами и выполнено сравнение экспериментальных данных с классическими теоретическими подходами Гриффитса, Нейбера, Савина к развитию концентраторов напряжений. На рис. 2 продемонстрированы экспериментальные и расчетные зависимости прочности гранита на растяжение при изгибе от размера концентратора-надреза.
Рис. 2. Зависимость прочности гранита на растяжение от размера концентратора
Наилучшее совпадение расчетных и экспериментальных данных имеет методика Савина, на основании которой прочность на растяжение образца с концентратором определится:
, (8)
где р–предел прочности на растяжения монолитного образца, Па; lконц.–глубина концентратора, м; b–ширина концентратора, м; = 0,25 + 1,8–эмпирический коэффициент; –коэффициент Пуассона ( = 0,20 для гранита).
Экспериментальные исследования по определению термокинетических параметров разрушения были проведены методом растяжения при изгибе на образцах-призмах с надпилом, при котором нагрузка прикладывалась в середине образца (табл. 1).
Таблица 1
Результаты экспериментальных исследований
| Месторождения и местопроявления | 0, с | U0., Дж/моль | р., м3/моль | р., лет |
| Хюппиовара | 1,4910-13 | 148990 | 1,3610-3 | 1506 |
| Летнереченское | 1,9710-13 | 160676 | 2,0810-3 | 44620 |
| Пергуба | 1,5010-13 | 149292 | 2,0010-3 | 57,5 |
| Копаковское | 1,6210-13 | 166393 | 1,8010-3 | 105155 |
| Пиндушское | 1,6510-13 | 137638 | 1,4110-3 | 41,1 |
Наиболее предпочтительной для использования материала в дорожном строительстве и на других объектах, требующих сохранности материала длительное время, является большая величина долговечности горной породы. Данные месторождения гранитов отвечают требованиям, предъявляемым к горным породам для производства высокопрочного щебня. Необходимо отметить, что наведенная трещиноватость при промышленном переделе горных пород повлечет дополнительное снижение долговечности материала в процессе эксплуатации.
2. Степень микротрещиноватости, необходимая для оценки прочностных свойств горных пород, определяется на основе экспериментальных данных об эффективной пористости.
В естественных природных условиях и при промышленном использовании горных пород для строительства дорог одним из факторов, влияющих на разрушение, является попеременное замораживание и оттаивание, с переходом через 0 °С. Моделирование этого процесса позволяет проследить динамику трещинообразования и сопутствующий характер изменения физико-механических свойств горных пород. В зависимости от степени микротрещиноватости наблюдалась потеря прочности при одноосном сжатии для гранитов от 10 до 58% после двухсуточного водопоглощения и от 6 до 35% при попеременном замораживании-оттаивании. Пределы прочности скальной породы при одноосных сжатии, сдвиге и растяжении различаются приблизительно в следующей пропорции: сж (3 – 4) сд (3 – 4) отр.
На рис. 3 представлено изменение параметров микротрещиноватости после испытания горных пород с нарастающим количеством циклов замораживания-оттаивания.
Рис. 3. Изменение параметров микротрещиноватости на поверхности горной породы при нарастающем количестве циклов замораживания-оттаивания: - гранит; - габбродиабаз
По мере роста нагрузки общий характер распределения микротрещин изменяется незначительно, однако наблюдается увеличение средней длины микротрещин и повышается относительное содержание крупных микротрещин (рис. 4).
Для оценки степени разрушения материала в результате воздействия процедуры замораживания-оттаивания возникает необходимость анализа параметров микротрещиноватости горной породы и, прежде всего, удельной микротрещиноватости (lобщ/S), которая наиболее полно характеризует микротрещиноватость каждого образца.
В табл. 2 приведены экспериментальные результаты изменения удельной микротрещиноватости и физико-механических свойств гранитов месторождения Летнереченское при нарастающем количестве циклов замораживания-оттаивания.
Таблица 2
Изменение физико-механических свойств и удельной микротрещиноватости гранита
при замораживании–оттаивании
| Параметры | Естественное состояние | 30 циклов замораживания-оттаивания | 45 циклов замораживания-оттаивания | 60 циклов замораживания-оттаивания | |
| Средняя плотность, кг/м3 | 2660 | 2650 | 2650 | 2650 | |
| Эффективная пористость, % | 0,47-0,71 0,66 | 0,70-0,83 0,87 | 0,92-1,03 0,93 | 0,93-1,21 1,12 | |
| Водопоглощение, % | 0,17-0,33 0,25 | 0,22-37 0,33 | 0,31-0,38 0,35 | 0,36-0,49 0,45 | |
| Прочность при сжатии, МПа | в сухом состоянии | 121-133 131 | расчет по формуле (8) 108 | расчет по формуле (8) 106 | 93-128 105 |
| в насыщенном водой состоянии | 102-149 115 | ||||
| Удельная микротрещиноватость х10-2 мм/мм2 | 1,28-1,98 1,51 | 2,66-3,63 2,95 | 3,37-4,35 3,64 | 3,61-4,60 4,06 | |
Примечание. В числителе дан разброс параметра, в знаменателе среднее значение параметра.
Рис. 4. Распределение концентрации микротрещин в зависимости от их длины при нарастающем количестве циклов замораживания-оттаивания
Из представленных в табл. 2 данных следует, что предел прочности при одноосном сжатии образцов после испытаний снизился на 10%, при этом удельная микротрещиноватость выросла более чем в 2,5 раза, что подтверждается ростом показателей эффективной пористости и водопоглощения.
Рост показателя эффективной пористости характеризует увеличение открытых микродефектов в горной породе, доступных для воды, и позволяет оценить влияние процессов замораживания-оттаивания на микротрещиноватость (дефектность) по всему объему образца.
Взаимозависимость удельной микротрещиноватости (Y) и эффективной пористости (X) с нарастающим количеством циклов замораживания-оттаивания продемонстрирована на рис. 5.
Рис. 5. Корреляционная зависимость удельной микротрещиноватости и эффективной пористости
Результаты расчета аппроксимируются формулой:
. (9)
Таким образом, установлено, что чем выше значения эффективной пористости, тем выше значения удельной микротрещиноватости. При этом эффективную пористость магматических горных пород можно характеризовать ее водопоглощением, поскольку 95% поглощенной воды заполняет микротрещины.
Следовательно, количество дефектов в магматических горных породах на единицу площади может быть охарактеризовано как ее микротрещиноватостью, так и эффективной пористостью (водопоглощением).
В соответствии с термокинетической теорией разрушения относительная концентрация молекул на поверхности трещин в образце определяется по формуле (2). Начальную относительную концентрацию микротрещин приближенно можно оценить по относительному значению эффективной пористости породы, которая характеризует количество микродефектов материала, т.е. 
, тогда эффективная пористость определится в следующем виде:
. (10)
3. Изменение прочностных свойств щебня и долговечности горных пород в процессе эксплуатации может быть рассчитано на основании измерений термокинетических параметров горных пород и их водопоглощения.
Для определения качества щебня была изучена микротрещиноватость и физико-механические свойства щебня по фракциям 5-10, 10-20 и 20-40 мм различных гранитных месторождений Республики Карелия. Поверхность кусков, образующихся при дроблении горной массы, характеризуется наличием дефектов и микротрещин, определяющих интенсивность физико-химических реакций поверхности с внешней средой.
На рис. 6 показаны зависимости водопоглощения (микродефектности) отдельных фракций щебня различных месторождений Карелии.
Из приведенных на рис. 6 данных видно, что большее водопоглощение соответствует фракции с большей удельной поверхностью (5-10 мм). Изменения в значениях водопоглощения для одной и той же фракции щебня с различных месторождений подтверждают определяющую роль процессов микротрещинообразования в долговечности горных пород.
Рис. 6. Водопоглощение щебня различных месторождений гранитов
Республики Карелии по фракциям
Для учета этого факта, нарушенности зерна щебня, вводится показатель удельного водопоглощения Wуд., г/мм2:
Wуд. = W/S, (11)
где S–площадь поверхности дробленого куска породы.
Удельное водопоглощение рассчитывалось исходя из следующих допущений: фрагмент горной породы рассматривается как однородный изотропный однофазный объем материала, подлежащий разделению по случайным поверхностям; весь объем горной породы состоит из одинаковых по размеру шарообразных кусков; модель зерна для кубовидного щебня – шар; каждый шар может рассекаться таким образом, что площадь его сечения будет изменяться от площади большого круга до нуля; вероятность рассечения каждого шара в любой точке его диаметра одинакова.
Средняя площадь сечения определяется путем интегрирования площадей сечения от 0 до d/2.
. (12)
В табл. 3 представлены теоретические значения удельного водопоглощения и экспериментальные данные, демонстрирующие очевидную закономерность: в связи с тем, что куски дробленой горной породы имеют неправильную форму (отличную от шаровой) и в каждой фракции присутствует набор определенных классов дробленых кусков, расчетные значения водопоглощения превышают экспериментальные данные в 1,5-2 раза для средних диаметров крупных фракций.
Таблица 3
Удельное водопоглощение щебня, Wуд, г/мм2
| Гранит уч. Братский | Гранит уч. Витчеварака | ||
| Экспер. | Расчет | Экспер. | Расчет |
| фракция 5-10 мм (dср = 7,5 мм) | |||
| 3,58 х10-4 | 4,00 х10-4 | 1,80 х10-3 | 2,15 х10-3 |
| фракция 10-20 мм (dср = 15 мм) | |||
| 1,81 х10-4 | 3,71 х10-4 | 1,60 х10-3 | 2,64 х10-3 |
| фракция 20-40 мм (dср = 30 мм) | |||
| 1,39 х10-4 | 2,63 х10-4 | 1,56 х10-3 | 2,35 х10-3 |
При дроблении горных пород на щебень степень дисперсности зерен щебня увеличивается по мере увеличения степени дезинтеграции материала. Этим объясняются более высокие значения удельного водопоглощения мелкой фракции щебня с одного месторождения.
Основываясь на изложенных в данной работе закономерностях, также можно считать, что микродефектность горной породы и щебня характеризуется показателем водопоглощения.
Прочность щебня в исследованиях оценивали показателем дробимости – долей потерь массы материала при сжатии пробы в цилиндре. На рис. 7 показаны зависимости прочности (дробимости) от микронарушенности (водопоглощения).
Как следует из представленных графиков (рис. 7), наибольшее значение дробимости (потеря массы) наблюдается для гранитов с более высоким водопоглощением (большее количество микротрещин) для всех рассматриваемых фракций.
Для общего случая магматических горных пород зависимость дробимости (прочности щебня) от водопоглощения (микродефектности) может быть отражена формулой:
, (13)
где Др–потери массы при дробимости щебня в цилиндре, %; W–водопоглощение щебня, %; А и B–эмпирические коэффициенты уравнения, зависящие от свойств материала.
Рис. 7. Изменение дробимости щебня различных фракций от водопоглощения: - каждая точка соответствует одному месторождению
Некоторый разброс экспериментальных точек (рис. 7) указывает на вероятностный характер уравнения 13, полученного экспериментальным путем.
Микротрещиноватость горной породы в момент разрушения можно выразить формулой (2). Подставив в формулу (2) предельную прочность пр = U0/, получим зависимость микротрещиноватости породы от предельной прочности при разрушении:
. (14)
Формула (14) может быть представлена в виде:
. (15)
При дроблении происходит изменение термокинетических параметров горной породы (структурного коэффициента), что находит свое отражение в изменении значений предельной прочности (Y) от крупности кусков породы (Х) (фракций щебня).
Рис. 8. Изменения предельной прочности от крупности материала:
1-естественная среда, 2-куски 5-10 мм, 3-куски 10-20 мм, 4-куски 20-40 мм
Таким образом, из зависимостей, представленных на рис. 8 следует, что предельная прочность горных пород уменьшается с увеличением размеров кусков дробленого материала.
Результаты измерений согласуются с аппроксимирующим соотношением:
пр = А D-b, (16)
где пр–предельная прочность, D–размер кусков материала, А и b–эмпирические коэффициенты.
Полученные результаты показывают, что предельная прочность естественной среды существенно зависит от ее микротрещиноватости.
По прочностным свойствам щебень можно подразделить на следующие типы: высокопрочный, среднепрочный и низкопрочный. Для высокопрочного щебня потери массы при дробимости в водонасыщенном состоянии для всех фракций должны быть не более 12%. Для исследованных горных пород к высокопрочному щебню можно отнести фракции щебня, для которых показатель водопоглощения для фракции 5-10 мм 0,50%, для фракции 10-20 мм 0,40% и для фракции 20-40 мм 0,18%.
Следовательно, изменения прочностных свойств горной породы в процессе ее передела можно контролировать показателями эффективной пористости (водопоглощения). Эти характеристики отражают микродефектность материала.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Диссертация представляет собой законченную научно-исследовательскую работу, в которой получены соотношения, описывающие изменение микротрещиноватости при действии нагрузок и вызванные этим изменения прочности и долговечности горных пород.
Основные научные результаты и выводы заключаются в следующем.
1. Микротрещиноватость горных пород в естественных условиях (in situ) и после действия экзогенных нагрузок характеризуется зависимостью концентрации микротрещин от их размеров, обусловленной статистическими закономерностями распределения неоднородностей и укрупнением микротрещин.
2. В работе получены соотношения, описывающие изменение параметров микротрещиноватости при действии нагрузок и вызванные этим изменения прочности и долговечности материала.
3. В результате действия динамических взрывных нагрузок в горной породе наблюдаются изменения параметров микротрещиноватости: расширение имеющихся микротрещин и образование новых, наиболее существенное изменение наведенной микротрещиноватости происходит в зоне непосредственной близости от шпура.
4. Механическое дробление материала приводит к росту размеров микротрещин и появлению новых, что способствует увеличению концентрации микротрещин. При увеличении степени дробления увеличивается площадь удельной поверхности зерен щебня.
5. Циклическое воздействие на горные породы вызывает монотонный рост микротрещиноватости. По мере роста нагрузки общий характер распределения микротрещин изменяется незначительно, однако наблюдается увеличение средней длины трещин, относительное содержание крупных микротрещин повышается.
6. Установлена корреляционная зависимость между удельной микротрещиноватостью горной породы и ее эффективной пористостью – параметрами, характеризующими микродефектность среды.
7. Установлена корреляционная аппроксимирующая зависимость между относительной концентрацией молекул на поверхности трещин и относительной эффективной пористостью.
8. Возрастание параметров микротрещиноватости приводит к снижению прочностных показателей магматических горных пород. В работе выполнены исследования такого влияния и приведены соотношения, описывающие результаты расчетов.
9. В работе выполнены экспериментальные исследования и расчеты по оценке прочностных свойств и долговечности для гранитов различных месторождений РК. По результатам расчетов получены аппроксимирующие соотношения.
10. Разработанный метод позволяет оценить изменения прочности горной породы в процессе технологического передела показателями эффективной пористости и водопоглощения, которые являются характеристиками ее микродефектности.
Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:
Статьи, опубликованные в ведущих рецензируемых научных журналах, входящих в перечень ВАК:
1. Шеков В.А., Мясникова О.В., Менжулин М.Г. Особенности развития трещин в дальней зоне при взрывной добыче блоков // Записки Горного института. – 2001. – Т. 148, ч. 1. – С. 162-165.
2. Мясникова О.В., Шеков В.А. Некоторые аспекты оценки разрушения горных пород // Строительные материалы. - 2008. - № 7. - С. 26-27.
3. Мясникова О.В., Шеков В.А. Влияние природной и техногенной микротрещиноватости на прочность горных пород // Горный информационно-аналитический бюллетень. – 2009. - № 8. – С. 321-326.
4. Мясникова О.В., Шеков В.А. Влияние микротрещиноватости породного массива на физико-механические характеристики каменных изделий // Горный журнал. – 2011. - № 5. – С. 20-22.
5. Мясникова О.В., Шеков В.А. Метод оценки долговечности изверженных горных пород и щебня по показателю водопоглощения // Горный журнал. – 2012. - № 2. – С. 17-19.
Статьи, опубликованные в научных сборниках и материалах конференций:
1. Шеков В.А., Мясникова О.В. Характер развития микротрещин в окрестности магистральной трещины при динамической нагрузке на горный массив // Геология и полезные ископаемые Карелии. Петрозаводск: КарНЦ РАН, 2001. Вып. 3. С. 141-143.
2. Шеков В.А., Мясникова О.В., Иванов А.А. Рациональное использование ресурсов высокопрочного щебня // Фундаментальные проблемы комплексного использования природного и техногенного сырья Баренцева региона в технологии строительных материалов: Материалы международной научной конференции. Апатиты: КНЦ РАН, 2003. С. 44-46.
3. Мясникова О.В., Шеков В.А. Исследование динамики поведения микротрещиноватости, наведенной взрывом в гранитах // Геолого-технологические исследования индустриальных минералов Фенноскандии. Петрозаводск: КарНЦ РАН, 2003. С. 82-85.
4. Шеков В.А., Луодес Х.Т., Иванов А.А., Вождаенко А.Я., Мясникова О.В. Щебень Карелии. Свойства, применение и перспективы использования. Петрозаводск: КарНЦ РАН, 2004. 145 с.
5. Мясникова О.В., Шеков В.А. Закономерности вариаций прочностных свойств щебня Карелии // Проблемы рационального использования природного и техногенного сырья Баренцева региона в технологии строительных и технических материалов: Материалы II международной научной конференции. Петрозаводск: КарНЦ РАН, 2005. С. 144-146.
6. Мясникова О.В., Шеков В.А. Методологические вопросы оценки долговечности облицовочного камня // Проблемы рационального использования природного и техногенного сырья Баренцева региона в технологии строительных и технических материалов: Материалы II международной научной конференции. Петрозаводск: КарНЦ РАН, 2005. С. 146-148.
7. Мясникова О.В. Влияние типоморфных особенностей основных породообразующих минералов на физико-механические свойства горных пород // Результаты фундаментальных и прикладных исследований по разработке методик технологической оценки руд металлов и промышленных минералов на ранних стадиях геологоразведочных работ: Сб. научных статей по материалам I Российского семинара по технологической минералогии. Петрозаводск: КарНЦ РАН, 2006. С. 145-149.
8. Мясникова О.В. Исследование микротрещиноватости изверженных горных пород при динамических нагрузках // Связь поверхностных структур земной коры с глубинными: Материалы 14-й международной конференции. Петрозаводск: КарНЦ РАН, 2008. Ч. 2, С. 67-70.
9. Мясникова О.В., Шеков В.А. Изменение прочностных свойств изверженных горных пород в процессе технологического передела при производстве щебня // Новые методы технологической минералогии при оценке руд металлов и промышленных минералов: Сб. научных статей по материалам III Российского семинара по технологической минералогии. Петрозаводск: КарНЦ РАН, 2009. С. 156-160.
10. Мясникова О.В., Тришина О.М., Ковалевский М.В., Горбацевич Ф.Ф., Шеков В.А. О физических и механических свойствах гранитов некоторых участков разведки строительных материалов Карелии // Физико-химические и петрофизические исследования в науках о Земле: Сб. трудов X международной конференции. М., 2009. С. 274-278.
11. Мясникова О.В., Шеков В.А. Анализ критических свойств горной породы при оценке качества щебня // Проблемы рационального использования природного и техногенного сырья Баренцева региона в технологии строительных и технических материалов: Материалы IV Международной конференции. Архангельск: Институт экологических проблем Севера УрО РАН, 2010. С. 129-132.
12. Мясникова О.В., Горбацевич Ф.Ф., Шеков В.А., Тришина О.М., Ковалевский М.В. Физические и механические свойства гранитоидов различных генетических типов // Вестник ОНЗ РАН, 2, NZ 6024, doi 10.2205/2010 NZ 000042, 2010. С. 179-183.
13. Мясникова О.В., Шеков В.А. Изучение изверженных горных пород Карелии для производства щебня с высокими прочностными свойствами // Исследования и разработки в области химии и технологии функциональных материалов: Материалы научной конференции. Апатиты: КНЦ РАН, 2010. С. 236-237.
14. Мясникова О.В., Шеков В.А. Микронарушенность горных пород и ее влияние на долговечность щебня // Журнал современных строительных технологий «Красная линия» - 2010. - № 25. – С. 28-29.
15. Менжулин М.Г., Мясникова О.В. Анализ прочности горных пород для оценки их технологических и термокинетических свойств // Геология и стратегические полезные ископаемые Кольского региона: Труды IX Всероссийской (с международным участием) Ферсмановской научной сессии. Апатиты: КНЦ РАН, 2012. С. 356-358.
16. Мясникова О.В. Влияние минерального состава и физических свойств горных пород на их долговечность // Современные методы технологической минералогии в процессах комплексной и глубокой переработки минерального сырья: Материалы международного совещания «Плаксинские чтения 2012». Петрозаводск: КарНЦ РАН, 2012. С. 102-104.
