Автореферат: Оценка качества горных пород Карелии на основе термокинетической теории разрушения твердых тел

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 W_уд., г/мм²:

W_уд. = 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, W_уд, г/мм²

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.