Методический подход к исследованию физико-механических свойств горных пород

УДК 622.735.095:622.73 Е. Е. Каменева

МЕТОДИЧЕСКИЙ ПОДХОД К ИССЛЕДОВАНИЮ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ГОРНЫХ ПОРОД

Ключевые словa: горные породы, физико-механические свойства.

Физико-механические свойства горной породы определяется ее минеральным составом, текстурой и структурой, а также количеством, размерами и ориентацией имеющихся в ней дефектов. В отличие от методов, традиционно применяемых для исследований структур горных пород рентгеновская микротомография позволяет сканировать образец по всему объему в разных направлениях с шагом в несколько мкм.

Keywords: rocks, physical and mechanical properties.

Physical and mechanical properties of the rock is determined by its mineral composition, texture and structure, as well as the number, size and orientation of existing defects in it. In contrast to the methods conventionally used to study the structure of rock-ray microtomography allows scanning the sample throughout the volume in different directions with a pitch of several microns.

Существующие методы исследования физико-механических свойств горных пород и полученного из них щебня по фракциям крупности основаны на экспериментальном определении их основных характеристик - минералогической и объемной плотностей, водопоглощения, предела прочности при сжатии, сопротивления ударным нагрузкам, морозостойкости, устойчивости структуры против распадов и других. Испытания проводятся как на стадии геологической разведки месторождений при оценке возможных направлений его использования, так и в процессе промышленной эксплуатации (периодические испытания по контролю качества щебня, сертификационные испытания).

Перечисленные методы предполагают прямое экспериментальное определение свойств, характеризуются трудоёмкостью, а некоторые, например морозостойкость и устойчивость структуры против распадов,- длительностью. Все существующие методы исследования структур горных пород требуют предварительной подготовки образцов, связанных с их измельчением (спектроскопия, оптический минералогический анализ) или изготовлением единичных срезов (шлифов). В результате структура пород изучается на одних образцах, а физико-механические свойства - на других, что вносит существенные ограничения и допущения при интерпретации экспериментальных данных.

Физико-механические свойства горной породы определяется ее минеральным составом, текстурой и структурой, а также количеством, размерами и ориентацией имеющихся в ней дефектов. В настоящее время отсутствуют методики оценки дефектности структур горных пород. Традиционно диагностика минеральных фаз и особенности их распределения в горных породах осуществляются на основании петрографического анализа шлифов. Однако этот анализ является весьма приближенным, так как характеризуется трудоемкостью и длительностью, связанной с изготовлением шлифов и их изучением оптическими методами. Сканирующая электронная микроскопия (SEM) позволяет визуализировать лишь поверхность образца в узком диапазоне (несколько мм).

Сложность оценки влияния дефектности структуры горной породы на ее прочностные свойства в значительной мере обусловлена невозможностью охарактеризовать ее количественно. Информативной характеристикой, связывающей прочность породы с дефектностью ее строения, является пористость, под которой понимается совокупность всех полостей, заключенных в породе, включая поры, поровые каналы, микротрещины. Физическая или общая пористость породы определяется расчетным путем по известным величинам минеральной и объемной плотностей, и позволяет лишь косвенно судить о прочности породы. При интерпретации физико-механических свойств породы необходимо учитывать структуру порового пространства - размеры, форму пор, их сообщаемость и пространственную ориентацию, так как именно эти характеристики влияют на прочностные свойства породы и особенности их разрушения.

Методом, позволяющим выполнить количественную оценку параметров структуры порового пространства породы на микроуровне, является рентгеновская компьютерная микротомография (Х-гау шюго-СТ). Томография как метод медицинской диагностики была разработана в 1972г. Г.Хаунсфилдом и А.Кормаком. Впоследствии метод нашел применение в различных отраслях промышленности для исследования дефектности твердых тел (промышленная томография). В последнее время компьютерная томография используется для оценки проницаемости пород-коллекторов, исследования руд, техногенного минерального сырья, углей, композиционных материалов [1-11]. Говоря о преимуществах томографии по сравнению с другими рентгеновскими и оптическими методами, следует отметить, что использование рентгеновской микротомографии для исследования микроструктуры горных пород повышает информативность исследований при проведении технологической оценки, минимизирует влияние человеческого фактора на полученные результаты.

Рентгеновская томография (Х-гау ш1сго-СТ) является неразрушающим методом изучения внутреннего строения твердых материалов, основанным

на реконструкции пространственного распределения величины линейного ослабления (ЛКО) рентгеновского излучения путём компьютерной обработки теневых проекций, получаемых при просвечивании рентгеновским лучом слоя вещества, сложенного различными по плотности и химическому составу компонентов. Идентификацию элементов микронеоднородности (минеральные фазы, поры) проводится путем сопоставления отношений амплитуд ЛКО, установленных на томограмме для фазы и образца сравнения с теоретически рассчитанными для них отношениями эффективных величин ЛКО в предположении, что химический состав и плотность определяемой фазы известны.

При томографии микрофокусная трубка просвечивает объект, регистрация теневых проекций выполняется рентгеновской камерой. На основе компьютерной обработки большого количества теневых проекций, полученных под разными углами при вращении исследуемого объекта, проводится реконструкция набора виртуальных сечений, в результате чего визуализируется его внутренняя трехмерная микроструктура образца. Линейные размеры (диаметр, удельная поверхность, объем и другие) элементов микронеоднородности, их число, сферичность, со-общаемость, анизотропия устанавливаются с помощью специального программного обеспечения.

В отличие от методов, традиционно применяемых для исследований структур горных пород рентгеновская микротомография позволяет сканировать образец по всему объему в разных направлениях с шагом в несколько мкм. Компьютерная обработка теневых проекций, получаемых при просвечивании образцов рентгеновским лучом, позволяет визуализировать внутреннюю трехмерную структуру образца и выполнить детальный анализ морфо-метрических и плотностных характеристик как на отдельных сечениях, так и по всему объему образца с получением количественных значений параметров. Пространственное разрешение микротомографа - первые микроны - соответствует размерам кристаллов и пор в образцах горных пород.

Метод позволяет выявить дефекты структуры (поры, трещины, неоднородности, газово-жидкие включения) на отдельных сечениях и по всему объему изучаемого образца, определить минеральный состав, выполнить реконструкцию распределения фаз и дефектов на отдельных сечениях и по всему объему образца, получить количественные значения (число пор, микротрещин, частиц и т.д., их линейные размеры, объемы, плошадь поверхности, форму, сообщаемость и связанность). Рентгеновская томография является неразрушающим методом анализа и проводится без предварительной процедуры пробо-подготовки, что повышает достоверность и информативность определяемых характеристик. Образцы после томографии могут быть использованы для других видов анализа, в частности, для определения прочности, морозостойкости, сопротивления ударным нагрузкам.

В настоящей работе исследования горных пород выполнены на микротомографе Sky Scan-1172 (Бельгия) с разрешениями от 0,5 до 27 мкм, осна-

щенного сертифицированными программами Skyscan1172 цСТ, NRecon, DataViewer, CTVox, CTAn, CTVol, SkyScan_MTS, Gidropora, совместимыми с 32 и 64-битными ОС Windows.

Для исследований были изготовлены образцы пород цилиндрической формы диаметром и высотой 40 мм. Образцы не имели видимых дефектов. Основные физико-механические свойства пород (табл.1) определены по стандартным методикам.

Таблица 1 - Физико-механические характеристики образцов горных пород

Показатель Габбро-диабаз Гранит

Минеральная плотность, г/ см3 2,997 2,77

Объемная плотность, 2,990 2,75

г/ см3

Водопоглощение, % 0,02 0,38

Пористость, % 0,24 0,74

Предел прочности 302 237

при сжатии, МПа

Согласно петрографическому описанию шлифов, габбро-диабаз характеризуется мелкозернистой офитовой структурой, пятнистой и порфиробласти-ческой, благодаря выделениям порфиробластов ак-тинолита с размером зерен до 2-3 мм, текстурой. Структура гранита - крупнозернистая порфировид-ная, текстура - массивная.

Исследуемые образцы пород различались по соотношению содержаний основных породообразующих минералов (табл. 2).

Таблица 2 - Минеральный состав образцов горных пород

Минералы Содержание минералов, масс.%

Габбро-диабаз Гранит

Микроклин - 36,80

Плагиоклаз 21,55 24,10

Кварц 2,23 27,94

Биотит 2,37 11,08

Актинолит 55,78 -

Эпидот 18,03 -

Рудные 0,04 0,08

Сумма 100,00 100,00

Характеристика структуры порового пространства исследованных образцов в 3Б-системе приведена в таблице 3. Поскольку образцы различались по объему, основные параметры, характеризующие поровое пространство, пересчитаны на объем образцов.

Результаты рентгенотомографии свидетельствуют о различиях в структуре порового пространства исследуемых пород. Анализ полученных данных показывает, что концентрация пор имеет наибольшее значение у габбро-диабаза: количество пор на единицу объема для этого образца составляет 761 мм-3, для гранита - 107 мм-3. В то же время, несмотря на высокое содержание пор как в абсолютном, так и в относительном выражении, общая пористость габбро-диабаза имеет меньшее значение (0,24% по сравнению с 0,74% у гранита), что объяс-

няется различными размерами пор: в образце габбро-диабаза их размеры варьируют в диапазоне от 1 до 62 мкм, в образце гранита присутствуют поры размером до 520 мкм.

Таблица 3 - Характеристика структуры порового пространства образцов в 3Б - системе

Параметр Характеристика порового пространства

Габбро-диабаз Гранит

Количество пор, шт. 1 060 030 275 512

Количество на единицу объема образца (концентрация пор), мм-3 761 107

Доля пор в объеме образца, % 0,24 0,74

Удельная поверхность пор на объем образца, мм-1 0,84 0,96

Сообщаемость пор, % 4,1 13,2

Наибольший размер пор, мкм 62 520

Удельная площадь границ срастаний минералов, мм-1 0,56 0,47

Поры распределены неравномерно. Наиболее высокая концентрация пор отмечается в кристаллах микроклина (образец гранита) и плагиоклаза (образец габбро-диабаза). В кристаллах актинолита, эпи-дота, кварца и лейстах биотита поры практически отсутствуют (рис.1, 2).

Рис. 1 - Характер распределения минеральных компонент (слева) и пор (справа) в сходном образце гранита (2Б -система): 1т- микроклин, 2т-плагиоклаз, 3т- биотит

Сообщаемость пор в образце гранита 13,2%. В образце габбро-диабаза сообщаемость пор ниже -4,8%. Присутствие пор крупнокапиллярного размера и высокая их сообщаемость объясняет более высокое водопоглощение образца гранита.

Таким образом, микротомографическое изучение горных пород различных текстурно-структурных типов - габбро-диабаза и гранита, значительно различающихся по пределу прочности при сжатии, позволила выявить различия в структуре их порового пространства. Наиболее прочная порода (габбро-диабаз) характеризуется самой низкой пористостью, однако при этом плотность пор (количество пор на единицу объема) имеет самое высокой значение, что связано с их субкапиллярными размерами и низкой

сообщаемостью. Поры неравномерно распределены по объему: отмечается низкое содержание внутри-кристаллических пор в агрегатах плотных минералов; на участках, выполненных менее плотными минералами, содержание, размеры и сообщаемость пор увеличиваются. В менее прочном граните появляются поры сверхкапиллярного размера, значительно увеличивается их сообщаемость.

Рис. 2 - Распределение пор в структуре образца габбро-диабаза (2Б - система): 1т- плагиоклаз, 2т - актинолит, 3т - эпидот

Проведенные исследования свидетельствуют о широких возможностях метода рентгеновской томографии при решении научных и практических задач, связанных с исследованием физико-механических свойств горных пород и контролем качества строительного камня. Совершенствование технологии дезинтеграции должно основываться на адаптации компоновочного решения схемы дробления, конструктивных особенностей дробильных аппаратов и их режимных параметров к текстурно-структурным особенностям и физико-механическим свойствам перерабатываемых пород.

Важным направлением исследований при обосновании рационального способа разрушения применительно к структуре породы является изучение характера деформации образцов при воздействии различных видов нагрузок (сжатие, удар, сдвиг). При этом важной задачей является определение сдвигов и смещений минерального вещества, деформации кристаллов, смыкания пор, образование новых пор и микротрещин, появление и рост магистральных трещин и т.д. при различных видах нагрузок. Томограф 8ку8сап-1172 оснащен специальной приставкой, позволяющей проводить исследования под нагрузкой растяжение- сжатие в динамике. Интегрированное программное обеспечение позволяет использовать стандартные процедуры построения структуры и отслеживать перемещение неоднородностей при деформациях образца. Полученные объемные модели могут быть сведены в одно поле изображения для сравнительного наблюдения перемещений неоднородностей. Такая постановка томографических исследований позволит выявить элементы структуры, по которым развивается разрушение, применительно к породам различных

генетических типов и обосновать рациональные

способы дезинтеграции.

Литература

1. Хозяинов М.С., Вайнберг Э.И. Рентгеновский микротомограф как инструмент изучения образцов горных пород // Материалы междунар. научн. конф. «Геофизика и современный мир», М., ВИНИТИ, 1993, - С.255.

2. Якушина О.А. Сычева Н.А., Ожогина Е.Г. Морфострук-турный анализ черных металлов методом рентгенотомо-графии / Сб. матер. Российского семинара по технологической минералогии «Новые методы технологической минералогии при оценке руд металлов и промышленных минералов» / Петрозаводск: КНЦ РАН, 2009. - С.40-45.

3. Стрельченко В.В., Пименов Ю.Г., Соколов Д.И., Шумейко А.Э. Особенности получения структурированных объектов в горных породах методом рентгенотомогра-фии / Сб. матер. Всероссийской конференции «Практическая микротомография», Казань, 2013. - С.41-45.

4. Ефимов А.А., Савицкий Я.В., Галкин С.В. Опыт использования рентгеновской томографии при исследовании коллекторских и механических свойств горных пород / Сб. матер. Всероссийской конференции «Практическая микротомография», 2-4 октября 2013, М.: Почвенный институт им. В.В.Докучаева, 2013. - С. 124-128.

5. Якимчук И.В., Казак А.В., Варфоломеев И.А., Коробков Д.А., Коротеев Д.А. Совмешение трехмерных изображений при анализе данных рентгеновской микротомографии образцов горных пород / Сб. матер. Всероссий-

ской конференции «Практическая микротомография», 2-4 октября 2013, М.: Почвенный институт им. В.В.Докучаева, 2013. - С. 168-174.

6. Надев А.Н., Коробков Д.А., Якимчук И.В., Чувилин Е.И., Коротеев Д.А. Применение рентгеновской микротомографии для исследования образцов горных пород / Сб. матер. Всероссийской конференции «Практическая микротомография», Казань, 2013 г. - С.160-164.

7. C.L.Lin, J.D.Miller, C.H. Hsieh. Particle damage during HPGR breakage as described by specific surface area distribution of cracks in the crushed products //International Mineral Processing Congress, New Deli, Indie, 2012, paper No. 687, p. 3397- 3410.

8. Yakushina O.A., Khoziainov M.S. X-Ray Computer Microtomography for Geological Investigation . Abstr. XIX Int. Symp. «NEC-2003», Sept. 15-20, 2003, Varna, Bulgaria, JINR, 2003. - P. 35.

9. C.L.Lin, J.D.Miller, C.H. Hsieh. Particle damage during HPGR breakage as described by specific surface area distribution of cracks in the crushed products //International Mineral Processing Congress, New Deli, Indie, 2012, paper No. 687. Р. 3397- 3410.

10. Dong H, Blunt MJ. Pore-network extraction from micro-computerized-tomography images. // Phys. Rev. E. 2009.- Р. 1539-3755.

11. Wu D., Peng X.F., Investigation of Water Migration in Porous Material Using Micro-CT during Wetting // 2007, Heat Transfer—Asian Research, 36 (4). -Р. 198-207.

© Е. Е. Каменева - кандидат технических наук, доцент кафедры горного дела ФБГОУ ВПО «Петрозаводский государственный университет», elena.kameneva@mail.ru.

© E. E. Kameneva - Candidate of Technical Sciences, docent Departments of Mining "Petrozavodsk State University", elena.kameneva@mail.ru.