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 асфальтои 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.

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 «зарождения» из расплава и продолжается в течение всего «жизненного цикла», который состоит из следующих этапов: геологического, тектонического, эксплуатационного. История «жизненного цикла» определяет долговечность природного камня, т. е. способность горной породы сохранять технические характеристики в заданных условиях эксплуатации в течение определенного срока.

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. ШемякинаА. 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 структурыв 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: гранитыкак многокомпонентные неоднородные полиминеральные материалы.

Цель работы. Разработка метода оценки термокинетических свойств и долговечности горных пород и изменения этих свойств в процессе эксплуатации.

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:

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 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 нагрузкахдостаточной сходимостью теоретических и экспериментальных зависимостей эффективной пористости (водопоглощения) от микродефектностифизической 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).

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.

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.

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 пористостьюпараметрами, 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.