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

Мясникова, Оксана Владимировна

Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему
Оценка качества горных пород Карелии на основе термокинетической теории разрушения твердых тел
ВАК РФ 25.00.20, Геомеханика, разрушение пород взрывом, рудничная аэрогазодинамика и горная теплофизика

Автореферат диссертации по теме "Оценка качества горных пород Карелии на основе термокинетической теории разрушения твердых тел"

На правах рукописи

005053465

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

1 8 ОКТ 2012

Апатиты 2012

005053465

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджет учрежден™ науки Институте геологии Карельского научного це] Российской академии наук, г. Петрозаводск.

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Менжулин Михаил Георгиевич

Официальные оппоненты:

доктор технических наук Козырев Сергей Александрович

кандидат физ.-мат. наук Махмудов Хайрулло Файзуллаевич

Ведущая организация: Открытое акционерное общество «Hay исследовательский институт горной геомеханики и маркшейдерского дет Межотраслевой научный центр ВНИМИ»

Защита диссертации состоится 15 ноября 2012 года в 16 часов 00 минут заседании диссертационного совета Д002.029.01 при Федераль государственном бюджетном учреждении науки Горном институте Кольев научного центра Российской академии наук по адресу: 184209, г. Апат: Мурманской области, ул. Ферсмана, д.24.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГоИ КНЦ РАН Автореферат разослан «Р£>> года

Ученый секретарь диссертационного совета, к.т.н.

^^ О.Е.ЧУР,

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 го расплава и продолжается в гечение всего «жизненного цикла» вплоть до разрушения. Приложение шнообразных физических и механических нагрузок при добыче и дезинтеграции •орных пород вызывает дальнейший рост дефектов и микротрещин, включая ;арождение новых, что в первую очередь сказывается на эксплуатационных ;войствах и долговечности строительного камня (щебня). Исследованию фоцессов разрушения горных пород и развитию трещинообразования посвящен 1елый ряд работ отечественных и зарубежных ученых, в том числе В.В.Адушкина, }.А.Боровикова, Ф.Ф.Горбацевича, М.Ф.Друкованого, С.Н.Журкова, \..А.Козырева, С.А. Козырева, B.C. Куксенко, C.B. Лукичева, М.Г. Менжулина, î.H. Мосинца, В .А. Петрова, А.Г. Протосени, В.В. Ржевского, В.Н. Родионова, Садовского, А.Н. Ставрогина, А.Н. Ханукаева, В .Я. Черткова, В.А. Шекова, 1.И. Шемякина; А. Гриффитса, Дж. Ирвина, Г. Нейбера, Дж. Нотта, Л-Оберта, ^.Фрейденталя и других. Влияние процесса технологического передела на изменение фочностных свойств продуктов дробления при производстве щебня исследовано юдостаточно. Качество горной породы, предназначенной для производства щебня, шределяется, практически, на ранних стадиях геологического изучения месторождения.

Известные методы определения технических характеристик строительного амня, в основном, базируются на разрушающих методах исследования и не юзволяют проводить длительные наблюдения за поведением горных пород в >азличных физических полях. Для горных пород в силу неоднородности их состава I строения невозможно найти два образца с идентичными свойствами. 1еразрушающие методы позволяют исследовать свойства горных пород в >азличных условиях нагружения на одних и тех же образцах.

Высокие требования, предъявляемые к качеству строительного камня щя производства щебня, ставят задачу разработки неразрушающих методов щенки прочностных свойств и долговечности горных пород. Изменения этих ;войств в процессе технологического передела относится к актуальной научной I 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:

1.Прочностные свойства горных пород различных месторождений необходимо оценивать с учетом их долговечности.

2.Степень микротрещиноватости, необходимая для оценки прочностных свойств горных пород, определяется на основе экспериментальных данных об эффективной пористости.

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.

Научная новизна работы:

• Установлена закономерность влияния микротрещиноватости гранитов различных месторождений на их термокинегачесьсие 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 (роанализированной и обобщенной информации о влиянии параметров 1икротрещиноватости на физико-механические свойства магматических орных пород при экзогенных и технологических нагрузках; достаточной ходимостью теоретических и экспериментальных зависимостей эффективной юристости (водопоглощения) от микродефектности; физической боснованностью постановки и решения задач.

Практическая значимость:

• Разработан метод оценки изменения параметров микротрещиноватости [агматических горных пород на основе изменения их эффективной пористости, газволяющий анализировать поведение строительного камня в различных словиях.

• Показано, что снижение прочности и долговечности горных пород вязано с ростом показателя микронарушенности в течение всего «жизненного ;икла» строительного камня и может быть использовано для прогнозирования олговечности щебня при его эксплуатации.

• Разработан метод прогнозирования изменения прочностных свойств и ;олговечности щебня ряда месторождений в процессе эксплуатации.

Реализация результатов работы. Результаты исследований были получены в роцессе выполнения работ в рамках тем НИР ИГ КарНЦ РАН «Прогноз развития и ыявления сырьевой базы строительного камня для производства высокопрочного дебня на территории Республики Карелия» и «Геологические и текгонофизические акономерности формирования месторождений блочного камня в юго-восточной части >енноскандинавского щита».

Применение разработанных методов оценки качества магматических горных ород апробированы в аккредитованном Испытательном центре ИГ КарНЦ РАН, в ГМСУ «Горный», на карьерах Ленинградской области и Республики Карелия.

Апробация работы. Основные положения работы докладывались и получили оложительную оценку на международных научных конференциях «Физические роблемы разрушения горных пород» (г. Санкт-Петербург, 2000), «Комплексное спользование природного и техногенного сырья Баренцева региона для получения гроительных материалов» (г. Апатшы, 2003), на всероссийских конференциях с [еждународным участием «Проблемы рационального использования природного и ехногенного сырья Баренцева региона в технологии строительных и технологических атериалов» (г. Петрозаводск, 2005), «Связь поверхностных структур земной коры с гсубинными» (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 Ш семинарах по технологической минералогии (г. Петрозаводск, 2006 и 2009).

Личный вклад автора заключается в постановке и проведении экспериментальных исследований, изучении влияния наведенной трещиновато ста 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 дт.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. ВВ. 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. МВ. Ковалевскому, О.М Тршпиной 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 саракгеризуются значениями долговечности, позволяющими оценивать фигодность отдельных месторождений для строительства дорог.

В третьей главе исследована динамика наведенной микротрещиноватости фи разнообразных физических нагрузках на горную породу. Выполнено юделирование разрушения горных пород при нарастающем количестве циклов ¡амораживания-отгаивания и рассмотрен сопутствующий характер изменения физико-механических свойств. Проведено сравнение экспериментальных >езультатов с расчетными значениями, полученными при разрушении образцов с гскусственными концентраторами напряжений. Предложен метод оценки шкронарушенности горных пород по показателю эффективной пористости водопоглощения).

В четвертой главе рассмотрены механизмы разрушения горной породы при [ез интеграции на щебень. Приведены результаты экспериментальных исследований физико-механических и термокинетических свойств щебня. Выполнено юследование процесса разрушения фрагмента горной породы при дроблении. Определена корреляционная зависимость дробимосш (прочности) по фракциям цебня от микродефектности. Приведен метод оценки прочности и дробимости в ависимости от размера кусков материала, позволяющий оценить изменения фочносги горной породы в процессе технологического передела показателями |ффекгивной 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 т определяется по формуле С.Н. Журкова: и -уа

г = г0ехр(——), (1)

где и<г-энергия активации разрушения, Дж/моль; то-коэффициент, численно равный периоду тепловых колебаний атомов в кристаллической решетке, с; у-структурный коэффициент (активационный объем разрушения), м3/моль; о-действующее напряжение, Па; И-универсальная газовая постоянная, Дж/мольх°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 а:

ип

а = —)а0' (2) и0-уа

где ад-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:

АЕ =А= \crdV =аАГ™ , (3)

„ V

где У-удельный объем среды в кристаллическом монолитном состоянии, V-удельный объем среды на поверхности трещины, У^-изменение удельного объема среды при плавлении, и составляет

а1а,,л [ЧТ

пЕ \а0 ~

где у.-структурный коэффициент для растягивающего напряжения:

Ж <5>

пЕ у а0

где а^-постоянная кристаллической решетки, 1Чау-число частиц, которое содержит 1 моль вещества (постоянная Авогадро), /-эффективная длина трещины.

Для трещин сдвига энергия АЕХ определяется:

Ех~Ех = = У0а0 ' (б)

\а0

где Стог-напряжение в монолетной кристаллической среде, АУщ,. » 0,1У0-увеличение удельного объема в расплаве (У0-удельный объем кристаллической среды при нормальных условиях).

Структурный коэффициент при сдвиговых нагрузках (усд):

МхЮ~4 ¡2Г

Усд =-- (7)

Р \а о

где ц-молярная масса горной породы; р-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

1щ,' составляет 0,2^-0,3 мм.

В условиях наличия огромного количества природных концентраторов напряжений (микротрещин) в образце горной породы разрушение методом растяжения при изгибе может произойти в любой точке.

о 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8

1-, мм

Рис. 1. Распределение микротрщин по размерам в гранитах

Размер концентратора, ми

Рис. 2. Зависимость прочности гранита на растяжение от размера концентратора

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 Гриффигса, Нейбера, Савина к развитию концешраторов напряжений. На рис. 2 продемонстрированы экспериментальные и расчетные зависимости прочности гранита на растяжение при изгибе от размера концентратора-надреза.

Наилучшее совпадение расчетных и экспериментальных данных имеет методика Савина, на основании которой прочность на растяжение образца с концентратором определится:

р.конц.

* Р

= (7 —-

Р 2

конц

(8)

где Стр-предел прочности на растяжения монолитного образца, Па; /„„„¿-глубина концентратора, м; Ь-ширина концентратора, м; Р = 0,25у + 1,8-эмпирический коэффициент; у-коэффициенг Пуассона (V = 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 то, с и0. ур., м3/моль Тр., лет

местопроявления Дж/моль

Хюппиовара 1,49х10"13 148990 1,36х10~3 1506

Летнереченское 1,97х10'13 160676 2,08х10"3 44620

Пергуба 1,50х10'13 149292 2,00x10-3 57,5

Копаковское 1,62x10"13 166393 1,80x10"3 105155

Пиндушское 1,65х10"13 137638 1,41х10"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 О °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: стсж = (3 - 4) стсд = (3 - 4) стотр

На рис. 3 представлено изменение параметров микротрещиноватости после испытания горных пород с нарастающим количеством циклов замораживания-оттаивания.

циклы замораживания ■ оттаивания

циклы 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 12

параметров микротрещиноватости горной породы и, прежде всего, удельной микротрещиноватости (10бщЛ5), 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

Эффективная гористость, %

0.47-0.71 0,66

0.70-0.83 0,87

0,92-1.03 0,93

0,93-1.21 1,12

Зодопоглощение, %

0.17-0.33 0,25

0.22-37 0,33

0,31-0.38 0,35

0.36-0.49 0,45

Трочностъ 1ри

:жатии, Ша

в сухом состоянии

121-133 131

насыщенном

водой

состоянии

102-149 115

расчет по формуле (8) 108

расчет по формуле (8) 106

93-128 105

/дельная

шкротрещиноватость :10"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 качение параметра.

Из представленных в табл. 2 данных следует, что предел прочности при щноосном сжатии образцов после испытаний снизился на 10%, при этом удельная шкротрещиноватость выросла более чем в 2,5 раза, что подтверждается ростом юказателей эффективной пористости и водопоглощения.

О 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2

I. тр., мм

Рис. 4. Распределение концентрации микротрещин в зависимости от их длины при нарастающем количестве циклов замораживания-оттаивания

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 (У) и эффективной пористости (X) с нарастающим количеством циклов замораживания-оттаивания продемонстрирована на рис. 5.

о. 2

1 5

0,05

0,04-

0,03

0,02 -

0,01 -

0,00

у = 0,03|_п(х) + 0,03 Я2 = 0,81

0,00 0,20 0,40

0,60 0,80 1,00 1,20 1,40 Эффективная пористость, %

Рис. 5. Корреляционная зависимость удельной микротрещиноватости и эффективной пористости

Результаты расчета аппроксимируются формулой: У = 0,031и(Х) + 0,03. (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 а 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

а0 п0

следующем виде:

)Л (10)

и0-уа

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. .

3 о Е о с о

4 о ш

2,0 п 1,8 ■ 1,6 ■ 1,4 -1,2 -1,0 -0,8 ■ 0,6 ■ 0,4 А 0,2 -| 0,0 -

IШI %Мш

Рис.

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

Условные номера объектов

□ фракция 5-10 мм Ш фракция 10 - 20 мм Ш фракция 20 - 40 мм

6. Водопоглощение щебня различных месторождений гранитов Республики Карелии по фракциям

удельного водопоглощения 'Жу^, г/мм2: \Ууд. = Ш/Б,

Для учета этого факта, нарушенное™ зерна щебня, вводится показатель /

'уд.'

где Ь-площадь поверхности дробленого куска породы.

Удельное водопоглощение рассчитывалось исходя из следующих допущений: фрагмент горной порода 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 площадей сечения от 0 до <У2.

с1 ' ± 2

—ж?2, 6

КЗ

2 2 , 2 о

¿0 табл. 3

путем интегрирования

(12)

представлены теоретические значения удельного водопоглощения и экспериментальные данные, демонстрирующие очевидную закономерность: в связи с тем, что куски дробленой горной породы имеют 16

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, \Ууд, г/мм2

Гранит уч. Братский Гранит уч. Витчеварака

Экспер. Расчет Экспер. Расчет

фракция 5-10 мм (с^ = 7,5 мм)

3,58 хЮ 4,00 хЮ"4 1,80 хЮ"3 2,15 хЮ"3

фракция 10-20 мм (с!св =15 мм)

1,81 хЮ 3,71 хЮ"4 1,60 хЮ' 2,64 хЮ"'

фракция 20-40 мм (с!^, = 30 мм)

1,39 x1а"4 П 2,63 хЮ"4 1,56 хЮ"3 2,35 хЮ"3

При дроблении горных пород на щебень степень дисперсности зерен цебня 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 ложно считать, что микродефектность горной породы и щебня характеризуется токазателем водопоглощения.

Прочность щебня в исследованиях оценивали показателем дробимости -далей потерь массы материала при сжатии пробы в цилиндре. На рис. 7 показаны ависимосга прочности (дробимости) от микронарушенности (водопоглощения).

Как следует из представленных графиков (рис. 7), наибольшее значение 1робимости (потеря массы) наблюдается для гранитов с более высоким юдопоглощением (большее количество микротрещин) для всех рассматриваемых фракций.

Для общего случая магматических горных пород зависимость дробимости [прочности щебня) от водопоглощения (микродефектности) может быть отражена формулой:

Др = АЬпт + В, (13)

где Др-потери массы при дробимости щебня в цилиндре, %; аодопоглощение щебня, %; А и В-эмпирические коэффициенты уравнения, 5ависящие от свойств материала.

25,0 20,0

8 15.0 -

£ <5

о о 10,0 Н 5 с

(О

о а Ч

5,0 0,0

(

25,0 20,0 15,0

Б = 10,0

0 Е

1 5,0 а.

0,0

У = 7,14[л(х) + 15,42 Яг = 0,77

0,4 0,8 1,2 1,6 2,0 Водопоглощение, %

фр. 10 - 20 мм

у = 5,321_п(х) + 15,49 I*2 = 0,63

0,0 0,4 0,8 1,2 1,6 Водопоглощение, %

30,0 п

" 20.0 -о

= ф

* 8 15,о -

л га

5 2

| 10,0 -

а 5,0

0,0

фр. 20 - 40 ММ

у = 6,301лМ + 22,81

Р*2 = 0,74

0,2

0,4

0,6 0,8 1,0 Водопоглощение, %

Рис. 7. Изменение дробимости щебня различных фракций от водопоглощения: ♦ - каждая точка соответствует одному месторождению

на

Некоторый разброс экспериментальных точек (рис. 7) указывает гроятностный характер уравнения 13, полученного экспериментальным путем.

Микротрещиноватостъ горной породы в момент разрушения можно выразить юрмулой (2). Подставив в формулу (2) предельную прочность Стщ, = IV/, получим шисимость микротрещиноватости породы от предельной прочности при азрушении:

а °пр

(14)

Формула (14) может быть представлена в виде: ( - ^

ст = сг

пр

1 —

(15)

При дроблении происходит изменение термокинетических параметров орной породы (структурного коэффициента), что находит свое отражение в зменении значений предельной прочности (У) от крупности кусков породы X) (фракций щебня).

Пергуба

£ 160 -| Хюппиовара л 80 -|

ь о о 140 - ♦ & о 70 -

г т 120 ■ \ X 3- 60 -

ая про1 МПа 100 ■ 80 • о м § г 50 -40 ■

X Л 60 • X Л 30 ■

С о и 40 ■ У = 129,39хад § ч 20 -

о. 20 ■ Я2= 0,84 О) а. 10 -

с 0 С л

0 1 2 3 4 5 0

у = 74,41 X' ^ = 0,95

л §

160 140 120 100 80 60 40 20 0

.Копаковское

у = 146,93хода Я2 = 0,97

°ис. 8. Изменения предельной прочности от крупности материала: 1-естественная среда, 2-куски 5-10 мм, 3-куски 10-20 мм, 4-куски 20-40мм

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:

аф=А D\ (16)

где Стпр-гтредельная прочность, D-размер кусков материала, А и Ь-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 микродефекгаостъ 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 концетрации микротрещин от их размеров, обусловленной статистическими закономерностями распределения неоднородносгей 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 микротрещиноватосга: расширение имеющихся микротрещин и образование новых, наиболее существенное изменение наведенной мшфотрещиноватост 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

юверхносги зерен щебня.

5. Циклическое воздействие на горные породы вызывает монотонный рост шкротрещиноватосги. По мере роста нагрузки общий характер распределения шкротрещин изменяется незначительно, однако наблюдается увеличение средней вшны трещин, относительное содержание крупных микротрещин повышается.

6. Установлена корреляционная зависимость между удельной шкротрещиноватостью горной породы и ее эффективной пористостью -ираметрами, характеризующими микродефекгаость среды.

7. Установлена корреляционная аппроксимирующая зависимость между ггаосигельной концентрацией молекул на поверхности трещин и относительной ффективной пористостью.

8. Возрастание параметров микротрещиноватости приводит к снижению [рочностных показателей магматических горных пород. В работе выполнены [сследования такого влияния и приведены соотношения, описывающие результаты 1асчетов.

9. В работе выполнены экспериментальные исследования и расчеты по оценке [рочностных свойств и долговечности для гранитов различных месторождений РК. 1о результатам расчетов получены аппроксимирующие соотношения.

10. Разработанный метод позволяет оценить изменения прочности горной юроды в процессе технологического передела показателями эффективной гористости и водопопющения, которые являются характеристиками ее опфодефекгаости.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

Статьи, опубликованные в ведущих рецензируемых научных журналах, (ходящих в перечень ВАК:

1. Шеков ВА., Мясникова ОЗ., Менжулин М.Г. Особенности развития рещин в дальней зоне при взрывной добыче блоков // Записки Горного института. -¡001.-Т. 148,ч. 1.-С. 162-165.

2. Мясникова О.В., Шеков ВА. Некоторые аспекты оценки разрушения хзрных пород // Строительные материалы. - 2008. - № 7. - С. 26-27.

3. Мясникова О.В., Шеков ВА. Влияние природной и техногенной шкротрещиноватосги на прочность горных пород // Горный информационно-шалишческий бюллетень. - 2009. - № 8. - С. 321-326.

4. Мясникова О.В., Шеков В .А. Влияние микротрещиноватости породного массива на физико-механические характеристики каменных изделий //. Горный курнал. - 2011. - № 5. - С. 20-22.

5. Мясникова О.В., Шеков ВА. Метод оценки долговечности изверженных горных пород и щебня по показателю водопоглощения // Горный журнал - 2012 - N°

2.-С. 17-19.

Статьи, опубликованные в научных сборниках и материалах конференций:

1. Шеков ВА, Мясникова О.В. Характер развитая 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 ВА, Мясникова О.В., Иванов АА. Рациональное использование ресурсов высокопрочного щебня // Фундаментальные проблемы комплексного использования природного и техногенного сырья Баренцева региона в технологии строительных материалов: Материалы международной научной конференции. Апаппы: КНЦ РАН, 2003. С. 44-46.

3. Мясникова О.В., Шеков ВА. Исследование динамики поведения микротрещиноватости, наведенной взрывом в гранитах // Геолого-технологические исследования индустриальных минералов Фенноскацции. Петрозаводск- КарНЦ РАН, 2003. С. 82-85.

4. Шеков ВА, Луодес Х.Т., Иванов АА., Вождаенко АЛ., Мясникова О.В. Щебень Карелии. Свойства, применение и перспективы использования. Петрозаводск: КарНЦ РАН, 2004.145 с.

5. Мясникова О.В., Шеков ВА Закономерности вариаций прочностных свойств щебня Карелии // Проблемы рационального использования природного и техногенного сырья Баренцева региона в технологии строительных и технических материалов: Материалы П международной научной конференции. Петрозаводск-КарНЦ РАН, 2005. С. 144-146.

6. Мясникова О.В., Шеков ВА. Методологические вопросы оценки долговечности облицовочного камня // Проблемы рационального использования природного и техногенного сырья Баренцева региона в технологии строительных и технических материалов: Материалы П 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 мшдхпрещиноватосш изверженных горных пород при динамических нагрузках // Связь поверхностных структур земной коры с

лубинными: Материалы 14-й международной конференции. Петрозаводск: КарНЦ АН, 2008. Ч. 2, С. 67-70.

9. Мясникова О.В., Шеков В.А. Изменение прочностных свойств зверженных горных пород в процессе технологического передела при производстве вбня // Новые методы технологической минералогии при оценке руд металлов и ромышленных минералов: Сб. научных статей по материалам Ш Российского гминара по технологической минералогии. Петрозаводск: КарНЦ РАН, 2009. С. 56-160.

10. Мясникова О.В., Тришина О.М., Ковалевский М.В., Горбацевич Ф.Ф., [1еков ВА О физических и механических свойствах гранитов некоторых участков азведки строительных материалов Карелии // Физико-химические и етрофизические исследования в науках о Земле: Сб. трудов X международной онференции. М., 2009. С. 274-278.

11. Мясникова О.В., Шеков В А. Анализ критических свойств горной породы ри оценке качества щебня // Проблемы рационального использования природного и гхногенного сырья Баренцева региона в технологии строительных и технических атериалов: Материалы IV Международной конференции. Архангельск: Институт кологических проблем Севера УрО РАН, 2010. С. 129-132.

12. Мясникова О.В., Горбацевич Ф.Ф., Шеков ВА, Тришина О.М., Ьвалевский М.В. Физические и механические свойства гранигоидов различных шетических типов // Вестник ОНЗ РАН, 2, N2 6024, 10.2205/2010 N2 000042, 010. С. 179-183.

13. Мясникова О.В., Шеков ВА. Изучение изверженных горных пород арелии для производства щебня с высокими прочностными свойствами // [сследования и разработки в области химии и технологии функциональных атериалов: Материалы научной конференции. Апаппы: КНЦ РАН, 2010. С. 23637.

14. Мясникова О.В., Шеков ВА. Микронарушенность горных пород и ее лияние на долговечность щебня // Журнал современных строительных технологий Красная линия» - 2010. - № 25. - С. 28-29.

15. Менжулин М.Г., Мясникова О.В. Анаша прочности горных пород для ценки их технологических и термокинетических свойств // Геология и тратегические полезные ископаемые Кольского региона: Труды IX Всероссийской : международным участием) Ферсмановской научной сессии. Апатиты: КНЦ РАН, 012. С. 356-358.

16. Мясникова О.В. Влияние минерального состава и физических свойств зрных пород на их долговечность // Современные методы технологической инералогии в процессах комплексной и глубокой переработки минерального сырья: 1атериалы международного совещания «Плакеинские чтения 2012». Петрозаводск !арНЦ РАН, 2012. С. 102-104.

Автореферат

МЯСНИКОВА Оксана Владимировна

ОЦЕНКА КАЧЕСТВА ГОРНЫХ ПОРОД КАРЕЛИИ НА ОСНОВЕ ТЕРМОКИНЕТИЧЕСКОЙ ТЕОРИИ РАЗРУШЕНИЯ ТВЁРДЫХ ТЕЛ

Технический редактор В.И. Бондаренко

Подписано к печати 24.09.2012 Формат бумаги 60x84 1/8.

Бумага офсетная. Печать офсетная. Гарнитура Times/Cyrillic Усл. печ. л. 3.02. Заказ № 40. Тираж 100 экз.

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Кольский научный центр Российской академии наук 184209, Апатиты, Мурманская область, ул. Ферсмана, 14

Содержание диссертации, кандидата технических наук, Мясникова, Оксана Владимировна

ВВЕДЕНИЕ.

1. Аналитический обзор литературы.

1.1. Современное состояние добычи нерудных строительных материалов в Российской Федерации.

1.2. Теоретические вопросы разрушения горных пород.

1.3. Общие сведения о природной трещиноватости горных пород

1.4. Разрушение горных пород в различных технологических процессах.

1.5. Методы оценки качества природных строительных материалов

2. Естественная микротрещиноватость горных пород.

2.1. Термокинетическая модель и параметры разрушения горных пород.

2.2. Методика определения параметров микротрещиноватости.

2.3. Физические и механические свойств горных пород Карелии

3. Наведенная трещиноватость при разнообразных физических нагрузках.

3.1. Наведенная микротрещиноватость при взрывных нагрузках.

3.2. Наведенная микротрещиноватость при механическом дроблении

3.3. Наведенная микротрещиноватость процессами замораживанияоттаивания горной породы.

4. Влияние технологического передела на свойства горных пород.

4.1. Механическое дробление горной породы.

4.2. Оценка прочностных свойств щебня.

4.3. Оценка технологических и термокинетических параметров разрушения кусков горной породы.

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Оценка качества горных пород Карелии на основе термокинетической теории разрушения твердых тел"

Актуальность работы

В XXI веке природный камень занимает важное место среди строительных материалов, используемых в дорожном, промышленном и гражданском строительстве благодаря, его высокой прочности и долговечности.

Объемы производства щебня в мире превышают 3 млрд куб. м в год. Доля России составляет около 5% от мировой добычи, причем примерно 70 млн куб. м ежегодно потребляется в дорожном строительстве.

Щебень, получаемый при переделе скальных горных пород, используется в качестве инертных наполнителей для тяжелого бетона, его используют самостоятельно для строительства щебеночных слоев в смеси с другими материалами, как компонент в асфальто- и цементобетонах, а также для балластного слоя железнодорожного пути.

От прочности и долговечности горных пород, перерабатываемых на щебень, зависят потребительские свойства (ровность, коэффициент сцепления, шероховатость и т.д.) и сохранность дорог. Особенно жесткие требования предъявляются к прочностным свойствам щебня, применяемого для устройства однослойных и верхних слоев двухслойных дорожных и аэродромных покрытий дорог, в качестве заполнителя в асфальтобетонных смесях и асфальтобетоне, непосредственно воспринимающих высокие механические нагрузки от движущегося транспорта, находящихся длительное время под воздействием природных явлений и антигололедных химических средств. Следовательно, применение высокопрочных разновидностей горных пород для производства щебня для этих целей становится чрезвычайно актуальной проблемой.

Исследованию процессов разрушения горных пород в массиве при взрыве зарядов взрывчатых веществ и развития 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, A.A. Козырева, С.А. Козырева, B.C. Куксенко, C.B. 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, J1. Оберта, А. Фрейденталя и других.

В массиве скальные горные породы находятся в напряженном состоянии. Скрытые внутренние напряжения инициируют развитие многочисленных дефектов структуры; в зависимости от характера и поведения дефектов происходит зарождение, докритический и критический рост микротрещин, определяющих естественную микротрещиноватость горных пород.

При эксплуатации строительных материалов происходит снижение термокинетических параметров и прочностных свойств горных пород. Приложение разнообразных физических и механических нагрузок при добыче и дезинтеграции горных пород вызывает дальнейший рост дефектов и микротрещин, включая зарождение новых, что в свою очередь сказывается на эксплуатационных свойствах и долговечности строительного камня (щебня).

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 изучения 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.

Объект исследования: - магматические горные породы: граниты -как многокомпонентные неоднородные полиминеральные материалы.

Основная 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 при учете их микротрещиноватости.

Задачи исследования:

2. Оценить изменения прочностных свойств горных пород при физических воздействиях.

Защищаемые научные положения:

1. Прочностные свойства горных пород различных месторождений необходимо оценивать с учетом их долговечности.

2. Степень микротрещиноватости, необходимая для оценки прочностных свойств горных пород, определяется на основе экспериментальных данных об эффективной пористости.

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.

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.

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 «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.

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.

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).

Публикации. По теме диссертации опубликована 21 печатная работа (в том числе 5 статей в изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки РФ и 1 монография).

Заключение Диссертация по теме "Геомеханика, разрушение пород взрывом, рудничная аэрогазодинамика и горная теплофизика", Мясникова, Оксана Владимировна

Выводы по главе 4

1. Технологический передел горных пород при производстве щебня достаточно существенно меняет физико-механические характеристики материала по сравнению с их исходными (in situ) показателями.

2. Возрастание микродефектности приводит к снижению прочностных показателей горных пород и щебня.

3. С уменьшением класса крупности дробленого материала наблюдается увеличение удельного водопоглощения. Сравнение теоретических расчетов удельного водопоглощения с экспериментальными данными позволило установить коэффициент формы материала для средних и крупных диаметров фракций, который находится в пределах 1,5-2.

4. Установлена корреляционная зависимость дробимости (прочности) по фракциям щебня от водопоглощения (микродефектности).

5. Установленные изменения водопоглощения по фракциям щебня для различных месторождений гранитоидов позволяют характеризовать щебень по типам прочности.

Высокопрочный щебень — водопоглощение фракции 5-10 мм ~ 0,50%, фракции 10-20 мм ~ 0,40% и фракции 20-40 мм ~ 0,18%.

6. В работе приведен метод оценки прочности и дробимости в зависимости от размера кусков материала.

7. Разработанный метод позволяет оценить изменения прочности горной породы в процессе технологического передела показателями эффективной пористости и водопоглощения.

Заключение

Основные научные выводы, полученные в диссертационной работе, и практические рекомендации базируются на результатах теоретических и экспериментальных исследований и сводятся к следующему:

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.

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.

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.

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Мясникова, Оксана Владимировна, Апатиты

1. Барон Л.И., Турчанинов И.А., Ключников A.B. Нарушения пород при контурном взрывании. Л.: Наука, 1975. 340 с.

2. Богданов О.С., Олевский В.А. Справочник по обогащению руд. Подготовительные процессы. М.: Недра, 1982. 366 с.

3. Боровиков В.А., Ванягин И.Ф. Техника и технология взрывных работ: Учебное пособие. Ленинград: ЛГИ. 1985. 89 с.

4. Боровиков В.А., Ванягин И.Ф., Менжулин М.Г., Цирель С.В. Волны напряжений в обводненном трещиноватом массиве. Ленинград: ЛГИ. 1989. 83 с.

5. Векслер Ю. А. Долговечность горных пород при сжатии // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. 1979. № 3. С. 71-76.

6. Веттегрень В. И., Лазарев С. О., Петров В. А. Физические основы кинетики разрушения. Л.: Наука, 1989. 245 с.

7. Воробьев A.A., Тонконогов М.П., Векслер Ю.А. Теоретические вопросы физики горных пород. М.: Недра, 1972. 151 с.

8. Гзовский М.В. Основы тектонофизики. М.: Недра, 1975. 536 с.

9. Гончаров С. А., Ляшенко Е. И. Экспериментальное определение удельной энергии разрыва межзерновых связей в горных породах при их нагреве // Физические и химические процессы горного производства. Сб. ст. под ред. А. П. Дмитриева. М.: МГИ, 1976. С. 1-5.

10. Долгов К.А. Определение степени дробления крепких горных пород взрывом // Известия высших учебных заведений. Горный журнал. 1977. № 2. С. 91-95.

11. Друкованый М.Ф., Куц B.C., Ильин В.И. Управление действием взрыва скважинных зарядов на карьерах. М.: Недра, 1980. 218 с.

12. Журков С. Н. Кинетическая концепция прочности твердых тел (Термофлуктуационный механизм разрушения) // Вестник АН СССР. 1968. №3. С. 46-52.

13. Журков С.Н., Куксенко B.C., Слуцкер А.И. Образование субмикроскопических трещин в полимерах под нагрузкой // Физика твердого тела. 1969. Т. 11, вып. 2. С. 296-307.

14. Журков С.Н., Куксенко B.C., Слуцкер А.И. Микромеханика разрушения полимеров // Проблемы прочности. 1971. № 2. С. 45-50.

15. Журков С. Н., Куксенко B.C., Петров В.А., Савельев В.Н., Султанов У. О прогнозировании разрушения горных пород // Известия АН СССР. Физика Земли. 1977. № 6. С. 11-18.

16. Журков С. Н., Куксенко B.C., Петров В. А. и др. Концентрационный критерий объемного разрушения твердых тел // Физические процессы в очагах землетрясений. М.: Наука, 1979. С. 78-86.

17. Журков С. Н., Куксенко В. С., Петров В. А. Физические основы прогнозирования механического разрушения // ДАН СССР. 1981. Т. 259, №6. С. 1350-1353.

18. Журков С. Н. Дилатонный механизм прочности твердых тел // Физика твердого тела. 1983. Т. 25, вып. 10. С. 3119-3123.

19. Ильин В.А., Позняк Э.Г. Аналитическая геометрия. М.: Физматмет, 2002. 240 с.

20. Ирвин Дж., Парис П. Основы теории роста трещин и разрушение // Разрушение. Т. 3, под. ред. Г. Либовица. М.: Мир, 1976. С. 17-66.

21. Кадомцев А.Г., Дамаскинская Е.Е., Куксенко B.C. Особенности разрушения гранита при различных условиях деформирования // Физика твердого тела. 2011. Т. 53, вып. 9. С. 1777-1782.

22. Казаков H.H. Связь энергии разрушения с количественными характеристиками дробленой породы // Взрывное дело. 1999. № 92/49. С. 29-32.

23. Казаков H.H. О структуре трещины разрушения в породе // Физические проблемы взрывного разрушения массивов горных пород: Сб. трудов международной научной конференции. М: ИПКОН, 1998.

24. Колмогоров А.Н. О логарифмически-нормальном законе распределения размеров частиц при дроблении // Доклады АН СССР. 1941. Т. 31, № 2. С. 99-101.

25. Котомин A.A., Шеков В.А., Здитовецкий A.B. Сравнительные характеристики зарядов ВВ, применяемых при отделении каменных блоков // Взрывное дело. 1999. № 92/49. С. 151-159.

26. Кропоткин П.Н. Напряженное состояние земной коры (по измерениям в массивах горных пород). М.: Наука. 1973, 186 с.

27. Крюков Г.М., Косаргин А.Г. Закономерности формирования зон мелкого дробления и радиального трещинообразования при камуфлетном взрыве сосредоточенного заряда в квазиоднородной среде // Взрывное дело. 1998. № 91/48. С. 75-81.

28. Крюков Г.М., Стадник В.В. Закономерности разрушения трещиноватых сред при взрывах зарядов промышленных ВВ // Физические проблемы разрушения горных пород: Сб. трудов конференции. Новосибирск: Наука, 2003. С. 42-46.

29. Куксенко В. С. Модель перехода от микро- к макроразрушению твердых тел // Физика прочности и пластичности. Л.: Наука, 1986. С. 36-41.

30. Лебедкин Ю.М., Маторин A.C. Шеменев В.Г. Концентрация напряжений и масштабный фактор при разрушении анизотропных горных пород // Записки Горного института. 2001. Т. 148. С. 134- 138.

31. Лексовский А.М., Баскин Б.Л. Некоторые аспекты зарождения и развития трещин микро- и мезомасштаба и квазихрупкое разрушение однородных материалов // Физика твердого тела. 2011. Т. 53, вып. 6. С. 1157-1168.

32. Макмилан М. Идеальная прочность твердых тел // Атомистика разрушения. М.: Мир, 1987. С. 35-103.

33. Менжулин М.Г. Термодинамическое обоснование некоторых закономерностей разрушения и разупрочнения горных пород // XI Российская конференция по механике горных пород: Сб. трудов конфер. С.-Пб, 1977. С. 301-305.

34. Менжулин М.Г. Фазовые переходы на поверхности трещин при разрушении горных пород // ДАН РАН. 1993. Т. 328, вып. 3. С. 305-307.

35. Менжулин М.Г., Парамонов Г.П., Миронов Ю.А., Юровский A.B. Метод расчета дополнительного разрушения горных пород на квазистатической стадии взрыва // Записки Горного института. 2001. Т. 148,ч. 1.С. 138-142.

36. Менжулин М.Г., Трофимов A.B. Связь термокинетических параметров и прочностных свойств горных пород // Записки Горного института. 2007. Т. 173. С. 48-50.

37. Менжулин М.Г. Модель фазовых переходов на поверхности трещин при разрушении горных пород // Физическая мезомеханика. 2008. Т. 2, № 4. С. 75-80.

38. Мирзаев Э.С., Маточкин В.А. Средство повышения эффективности взрывных работ // Горный журнал. 1988. № 3. С. 65-69.

39. Михайлов В.П., Аминов В.Н. Неметаллические полезные ископаемые, подземные воды и лечебные грязи // Минеральносырьевая база Республики Карелия. Кн. 2, Петрозаводск: Карелия, 2006. С. 149-227.

40. Молчанов В.И., Селезнева О.Г., Жирнов E.H. Активация минералов при измельчении. М.: Недра, 1988. 207 с.

41. Мораховский В.Н. Некинематическая тектоника и ее рудообразующее значение. СПб.: Санкт-Петербургский горный институт, 2000. 117с.

42. Мосинец В. Н., Абрамов А. В. Разрушение трещиноватых и нарушенных горных пород. М.: Недра, 1982. 248 с.

43. Мосинец В. Н., Пашков А. Д., Латышев В. А. Разрушение горных пород. М.: Недра, 1975. 215 с.

44. Мясникова О.В., Шеков В.А. Исследование динамики поведения микротрещиноватости наведенной взрывом в гранитах // Геолого-технологические исследования индустриальных минералов Фенноскандии. Петрозаводск: КарНЦРАН, 2003. С. 82-85.

45. Мясникова О.В., Шеков В.А Некоторые аспекты оценки разрушения горных пород // Строительные материалы. 2008. № 7. С. 26-27.

46. 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.

47. Мясникова О.В., Шеков В.А. Влияние природной и техногенной микротрещиноватости на прочность горных пород // Горный информационно-аналитический бюллетень. 2009. № 8. С. 321-326.

48. 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.

49. Мясникова О.В., Шеков В.А. Влияние микротрещиноватости породного массива на физико-механические характеристики каменных изделий // Горный журнал. 2011. № 5. С. 20-22.

50. Мясникова О.В., Шеков В.А. Метод оценки долговечности изверженных горных пород и щебня по показателю водопоглощения // Горный журнал. 2012, № 2. С. 17 19.

51. Нотт Дж. Механика разрушения // Атомистика разрушения. М.: Мир, 1987. С. 145-176.

52. Оберт JT. Хрупкое разрушение горных пород // Разрушение. Т. 7, под ред. Г. Либовица. М.: Мир, 1976. С. 59-128.

53. Павлович A.A. Методы определения прочностных свойств массива горных пород применительно к открытым горным работам // Записки Горного института. 2010. Т. 185. С. 127-131.

54. Панасюк В. В. Предельное равновесие хрупких тел с трещинами. Киев: Наукова думка, 1968. 272 с.1. I ,''1

55. Панасюк В. В. Механика квазихрупкого разрушения материалов. Киев: Наукова думка, 1991. 411 с.

56. Панин В.Е. Основы физической мезомеханики // Физическая мезомеханика. 1998. Т. 1, № 1. С. 5-22.

57. Петров В.А. О механизме и кинетике макроразрушения // Физика твердого тела. 1979. Т. 21, № 12. С. 3681-3686.

58. Петров В. А. К дилатонной модели термофлуктуационного зарождения трещины // ДАН СССР. 1988. Т. 301, № 5. С. 1107-1110.

59. Петров В. А., Башкарев А. Я., Веттегрень Ф. О. Прогнозирование долговечности конструкционных материалов. СПб.: Политехника, 1993.475 с.

60. Пивняк Г.Г., Вайсберг JI.A., Кириченко В.И., Пилов П.И., Кириченко В.В. Измельчение энергетика и технология. М.: Руда и Металлы, 2007. С. 71-78.

61. Присташ В.В., Чирков С.Е. Энергоемкость разрушения горных пород при различных видах механического воздействия // Горный информационно-аналитический бюллетень. 2000. № 10. С. 85-87.

62. Рац М. В. Неоднородность горных пород и их физических свойств. М.: Наука, 1968. 185 с.

63. Рац М. В., Чернышов С. Н. Трещиноватость и свойства трещиноватых горных пород. М.: Недра, 1970. 160 с.

64. Ребиндер П.А. Физико-химические явления при деформациях твердых тел // Общее собрание Академии наук СССР. М.: АН СССР, 1946.

65. Ревнивцев В.И., Гапонов Г.В., Зарогатский Л.П. и др. Селективное разрушение минералов. М.: Недра, 1988. 286 с.

66. Ревнивцев В.И., Долино-Добровольская Г.И., Владимиров П.С. Технологическая минералогия обломочных малых частиц. СПб.: Наука, 1992. 243 с.

67. Регель В. Р., Слуцкер А. И., Томашевский Э. Е. Кинетическая природа прочности твердых тел. М.: Наука, 1974. 560 с.

68. Ржевский Б.В., Новик Г.Я. Основы физики горных пород. М.: Недра, 1984. 360 с.

69. Садовский М.А. Естественная кусковатость горной породы // Доклады АН СССР. 1979.Т. 247, № 4. С. 829-831.

70. Садовский М.А., Болховитинов Л.Г., Писаренко В.Ф. О свойстве дискретности горных пород // Известия АН СССР. Сер. Физика Земли. 1982. № 12. С. 3-18.

71. Садовский М.А., Писаренко В.Ф., Родионов В.Н. От сейсмологии к геомеханике: О модели геофизической среды // Вестник АН СССР. 1983. № 1.С. 12-18.

72. Садовский М.А. Избранные труды: Геофизика и физика взрыва / Отв. ред. В.В. Адушкин. М.: Наука, 2004. 440 с.

73. Семенов Е.И. Минералогические таблицы. Справочник. М.: Недра, 1981.398 с.

74. Сементовский Ю.В., Сенаторов П.П. Строительные камни и заполнители бетона. Справочник. М.: ЗАО «Геоинформмарк», 1998. 22 с.

75. Слуцкер А.И. Характеристики элементарных актов в кинетике разрушения металлов // Физика твердого тела. 2004. Т. 46, вып. 9. С. 1606-1613.

76. Соболев Г. А., Кольцов A.B. Исследование процесса микротрещинообразования в образцах высокопластичной горной породы // Физические процессы в очагах землетрясений. М.: Наука, 1980. С. 99-103.

77. Справочник (кадастр) физических свойств горных пород / Под ред. Мельникова Н.В., Ржевского В.В., Протодьяконова М.М. М.: Недра, 1975.279 с.

78. Ставрогин А.Н., Протосеня А.Г. Прочность горных пород и устойчивость выработок на больших глубинах. М.: Недра, 1986. 270 с.

79. Ставрогин А.Н., Протосеня А.Г. Механика деформирования и разрушения горных пород. М.: Недра, 1992. 224 с.

80. Ставрогин А.Н., Тарасов Б.Г. Экспериментальная механика и физика горных пород. Санкт-Петербург: Наука, 2001. 343 с.

81. Тамуж В.Н., Куксенко B.C. Микромеханика разрушения полимерных материалов. Рига: Зинате, 1978. 294 с.

82. Тохметов А. Т., Веттегрень В. И. Физика прочности гетерогенных материалов // ФТИ АН СССР. Л., 1988. 124 с.

83. Турчанинов И.А., Медведев Р.В. Комплексное исследование физических свойств горных пород. Л.: Наука, 1973. 123 с.

84. Тутанс М.Я., Уржумцев Ю.С. Прогностика процессов разрушения стеклопластиков сейсмоакустическим методом // Механика полимеров. 1971. № 3. С. 421-429.

85. Угольников В.К., Гавришев С.Е., Угольников Н.В. Влияние трещиноватости массива горных пород на кусковатость взорванной горной массы // Горный информационно-аналитический бюллетень. 2006. №3. С. 213-216.

86. Урусов B.C. Энергетическая кристаллохимия. М.: Наука, 1975. 335 с.

87. Физический энциклопедический словарь. М.: Советская энциклопедия. 1965. Т 4. С. 460-461.

88. Фрейденталь A.M. Статистический подход к хрупкому разрушению // Разрушение. Т. 2, под ред. Г. Либовица. М.: Мир, 1975. С. 617-645.

89. Фролов Д.И., Килькеев Р.Ш., Куксенко B.C., Новиков C.B. Связь между параметрами акустических сигналов и размерами разрывов сплошности при разрушении гетерогенных материалов // Механика композитных материалов. 1980. № 5. С. 907-911.

90. Ханукаев А.Н. Физические процессы при отбойке горных пород взрывом. М.: Недра, 1974. 223 с.

91. Ходаков Г.С. Физика измельчения. М.: Наука, 1972. 308 с.

92. Цянь Сюэ-сень. Физическая механика. М.: Мир, 1965. 545 с.

93. Чертков В.Я. О росте средней концентрации микротрещин в скальной породе при взрывных нагрузках // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. 1988. № 5. С. 45-54.

94. Чертков В.Я. Теоретическая оценка характеристик повышенной микротрещиноватости при взрывной отбойке блочного камня // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. 1989. №3. С. 14-19.

95. Чертков В.Я. К обоснованию локально-вероятной оценки гранулометрического состава осколков в хрупкой среде // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. 1989. № 6. С. 14-19.

96. Чертков В.Я. О формировании мелких фракций гранулометрического состава взорванной горной массы // Взрывное дело. № 90/47. М.: Недра, 1990. С. 136-142.

97. Чини Р.Ф. Статистические методы в геологии. М.: Мир, 1986. 187 с.

98. 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.

99. Шеков В.А., Луодес Х.Т., Иванов A.A., Вождаенко А.Я., Мясникова О.В. Щебень Карелии. Свойства, применение и перспективы использования. Петрозаводск: КарНЦРАН, 2004. 145 с.

100. Шемякин Е.И. О свободном разрушении твердых тел // ДАН СССР. 1988. Т. 300, № 5. С. 1090-1094.

101. Griffith A. The phenomena of repture and flow in solids. // Phil. Trans. Roy. Soc. 221, Ser.A., 1921.

102. Simmons G., Richter D. Microcracks in Rocks. // The Physics and Chemistry of Minerals and Rocks. New York. John Wiley & Sons Ltd. 1976, p. 105-138.

103. Интернет ресурс http://cmpro.ru107. Интернет ресурсhttp://gov.karelia.ru/Power/Ministry/Development/EconomY/itog2010.html

104. Интернет ресурс http://library.stroit.ru/articles/techsh/inde.html1. Акт о внедрениирезультатов кандидатской диссертационной работы Мясниковой О.В.

105. Оценка качества горных пород Карелии на основе термокинетическойтеории разрушения твердых тел»

106. Начальник карьера «Лобское-5»1. Д.Н. Нитушко

107. Проф. каф. ВД НМСУ «Горный», д.т.н.1. М.Г. Менжулин

108. Ответственный за внедрения, соискатель, н.с. ИГ КарНЦ РАН1. О.В. Мясникова1. V 28

109. Федеральное государственное бюджетное учреждение науки

110. Разработанные Мясниковой О.В. неразрушающие методы прогнозной оценки прочностных свойств и долговечности строительного камня позволили1. УТВЕРЖДАЮ»

111. Руководитель Испытательного центра

112. ИГ КарНЦ РАН, зам. директора по НИ ИГ КарНЦ РАН, к.т.н.

113. Ответственный за внедрения, соискатель, н.с. ИГ КарНЦ РАН1. О.В. Мясникова

Информация о работе

Мясникова, Оксана Владимировна
кандидата технических наук
Апатиты, 2012
ВАК 25.00.20

Диссертация

Оценка качества горных пород Карелии на основе термокинетической теории разрушения твердых тел - тема диссертации по наукам о земле, скачайте бесплатно

Автореферат

Похожие работы