Особенности оценки физико-механических свойств горных пород при геологоразведочных работах

УДК 622.35.095:825.072

ОСОБЕННОСТИ ОЦЕНКИ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ГОРНЫХ ПОРОД ПРИ ГЕОЛОГОРАЗВЕДОЧНЫХ

РАБОТАХ

© 2009 Е Е. Каменева Петрозаводский государственный университет

Рассмотрены результаты изучения физико-механических свойств горных пород на стадии геологической разведки. Охарактеризованы особенности геолого-технологической оценки горных пород: ее цели, задачи, методы и последовательность операций. Показано, что итогом технологической оценки месторождений горных пород как промежуточного звена между их генезисом и результатами переработки являются количественные связи между геолого-технологическими особенностями и показателями дробления.

Ключевые слова: горные породы, физико-механические свойства, геологическая разведка

В настоящее время в связи реализацией президентской программы «Дороги России XXI века», предусматривающей строительство, реконструкцию и ремонт автомобильных дорог, увеличивается потребность в высококачественном щебне. Основным поставщиком щебня в Центральном и Северо-Западном регионах России является Республика Карелия, обладающая значительными запасами скальных горных пород. Темпы производства щебня в республике постоянно возрастают: если в 2003 г. объем производства щебня составил 3 млн. м3, то в 2008 г. этот показатель увеличился до 11 млн. м . Выпуск щебня в Республике Карелия осуществляют 26 горных предприятий.

Основными сырьевыми источниками для производства щебня в Карелии являются высокопрочные и прочные скальные породы - граниты, гнейсограниты, габбро-диабазы, кварциты. В большинстве случаев месторождение строительных горных пород характеризуется однородностью геологического строения [1]. Как правило, месторождение представлено породой одной текстурно-структурной разновидности, в связи с чем не требуется проведения детальных работ по геолого-технологическому картированию, выделению

Каменева Елена Евгеньевна, кандидат технических наук, доцент кафедры горного дела

технологических типов и сортов, отсутствует необходимость управления качеством горной массы при перспективном и оперативном планировании горных работ.

Обязательным этапом работ при оценке запасов по категориям С2 и С1 является испытание физико-механических свойств горных пород и полученного из них щебня по фракциям. Согласно установленным требованиям [2], контролируемыми показателями являются следующие: зерновой состав щебня по стандартным фракциям (5-10 мм, 10-20 мм, 20-40 мм), содержание пылевидных и глинистых частиц, содержание зерен слабых пород; содержание зерен пластинчатой и игольчатой формы (лещадных зерен), прочность, истираемость, морозостойкость, сопротивление удару, плотность, водопоглощение. Кроме этого, анализируется минералого-петрографический состав породы, оценивается содержание вредных примесей, проводятся испытания песков-отсевов дробления. На основании полученных результатов и анализа их соответствия требованиям ГОСТ делается вывод о возможных направлениях использования щебня и проводятся маркетинговые исследования (поиск потенциальных потребителей).

Проба для испытаний отбирается непосредственно на изучаемом участке недр в виде штуфных образцов или керна геологоразведочных скважин. Из пробы путем одностадиального дробления в щековой

дробилке и сортировки в лабораторных условиях готовятся фракции щебня 5-10 мм, 10-20 мм, 20-40 мм для испытаний [3].

Сопоставительный анализ результатов испытаний физико-механических свойств горных пород, полученных на стадии геологической разведки и данных работы действующих дробильно-сортиро-вочных установок показывает, что существующая методология исследования горных пород [3] обеспечивает получение лишь ориентировочных данных о качестве щебня, который может быть получен при их дроблении.

Цель настоящей работы - выполнить анализ степени достоверности

При дроблении породы в лабораторной щековой дробилке в открытом цикле содержание зерен лещадной формы составляет 25-55% для пород массивной текстуры и 40-84% для сланцеватых пород. При дроблении в производственных условиях по трехстадиальной схеме в замкнутом цикле с использование конусных,

показателей качества щебня, полученных на этапе геологической разведки.

Проведенными исследованиями установлено, что показатели качества щебня, определяющие возможность его использования в том или ином виде строительства, определяются не только физико-механическими свойствами исходной породы, но и технологией производства. Форма зерен

роторных или центробежно-ударных дробилок показатель лещадности снижается (табл. 2). В этой связи показатель лещад-ности, полученный при испытаниях на стадии геологоразведочных работ не может быть и информативным показателем, позволяющим судить о качестве щебня.

Тип горной породы Содержание лещадных зерен, %

наименование текстура лабораторный эксперимент промышленное дробление

гнейсо-гранит слоистая 40-84 24-35

диабаз массивная 25-48 6-18

габбродиабаз массивная 26-55 8-32

гранит массивная 32-54 9-24

Таблица 1. Технологические факторы, влияющие на форму зерен щебня

Факторы Требуемые условия Технологический эффект

производительность дробилки близкая к максимальной дополнительное избирательное разрушение лещадных кусков за счёт самодробления

размер разгрузочной щели минимальный уменьшение % прохождения ле-щадных зёрен

тип дробилки дробилка ударного действия в III стадии дополнительное разрушение ле-щадных зёрен (кубизация) за счёт удара

компоновка схемы замкнутый цикл в последней стадии дробления додрабливание лещадных зёрен при повторном прохождении через дробилку

Таблица 2. Содержание зерен лещадной формы во фракции щебня 5-20мм

Зерновой состав (распределение зерен по контрольным классам крупности в данной фракции щебня), полученный при дроблении и грохочении в лабораторных условиях, является эталонным для данной фракции щебня, полученного из той или иной горной породы. Это связано с тем, что в лабораторных опытах эффективность рассева пробы щебня на виброанализаторе составляет 100%, а в промышленных условиях эффективность грохочения не превышает 75-90%.

Анализ данных таблицы 3 показывает, что водопоглощение щебня в 5,8-1,4 раза превышает значение этого показателя для горной породы; пористости - в 1,9-5,3 раза.

Морозостойкость щебня (способность выдерживать многократное попеременное замораживание и оттаивание) напрямую связана с пористостью: вода поступает в поры и трещины, при замерзании увеличивается в объеме и разрушает породу. Поскольку пористость и водопоглоще-ние в значительной мере определяются технологий производства щебня, значения морозостойкости, полученные в результате испытаний на стадии геологической

Средняя плотность и водопоглоще-ние щебня зависят от пористости (трещи-новатости) породы. Пористость является характерной особенностью горной породы, вторичная трещиноватость - следствие буровзрывных работ и процесса дробления. В этой связи значения этих параметров, полученные при геологической разведке, имеют более низкие значения, чем для щебня, полученного в производственных условиях (табл. 3).

разведки, являются завышенными. Лабораторными экспериментами на искусственных фракциях щебня из гранита различной лещадности установлено, что пластинчатые и игольчатые зерна характеризуются более низкой морозостойкость, чем кубовидные (табл. 4). Это связано с тем, что зерна игольчатой и пластинчатой формы при многократном замораживании-оттаивании разрушаются в направлении наименьшего размера. Кроме этого, при эксплуатации месторождения следует учитывать, что некоторые свойства горной породы (прочность, морозостойкость) изменяются при переходе на отработку более глубоких горизонтов.

Таблица 4. Потеря массы после 5 циклов замораживания-оттаивания для щебня фракции 10-20мм (гранит) различной лещадности

Содержание зерен пластинчатой и игольчатой формы, % 100 40 20 10

Потеря массы после 5 циклов замораживания-оттаивания, % 14,1 7,6 5,8 3,6

Таблица 3. Средняя плотность

горных пород и щебня

Тип породы Месторождение Горная порода Щебень 5-20 мм

Средние значения показателей

Pср, г/см П,% Pср, г/см3 П,%

гранит Южное 2,72 0,20 1,3 2,56 1,8 3,1

гранит Сухое 2.57 0,3 1,5 2,43 1,75 2.8

диабаз Лижма 3,02 0,02 0,4 2,92 0,13 1,2

диорит Алхо-2 3,00 0,18 1,2 2,67 2,6 3,2

шунгитовая порода Полежа-евское 2,72 0,21 1,1 2,54 2,4 5,8

Прочность (дробимость) щебня, как и морозостойкость, зависит от содержания зерен пластинчатой и игольчатой формы: игловатые и пластинчатые зерна выдерживают меньшую сжимающую нагрузку без разрушения.

Выводы:

1. При испытании горных пород на стадии геологической разведки достоверными можно считать только показатели, которые не зависят от особенностей технологии производства щебня: минералого-петрографический состав породы, ее истинную плотность, электроизоляционные свойства, содержание зерен слабых пород, радиационно-гигиеническую характеристику.

2. Показатели качества щебня (марки по прочности и морозостойкости, группа по лещадности, зерновой состав, водопо-глощение, пористость) могут быть установлены только при разработке месторождения.

В связи с этим данные о физико-механических свойствах горных пород, полученные при геологической разведке, могут быть основой для принятия решения только о принципиальной возможности использования их в качестве сырья для получения щебня.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:

1. Минерально-сырьевая база Республики Карелия / Книга 2. Неметаллические полезные ископаемые // Петрозаводск: Карелия, 2005. - 280с.

2. ГОСТ 8267-93 «Щебень и гравий из плотных горных пород для строительных работ. Технические условия».

3. ГОСТ 8269.0-97 «Щебень и гравий из плотных горных пород и отходов промышленного производства для строительных работ. Методы физико-механических испытаний».

FEATURES OF THE ESTIMATION OF PHYSICOMECHANICAL PROPERTIES OF ROCKS AT EXPLORATIONS

© 2009 EE. Kameneva Petrozavodsk State University

Results of studying of physicomechanical properties of rocks at a stage of geological investigation are considered. Features of geology-technological estimation of rocks are characterized: its purposes, a problem, methods and sequence of operations. It is shown, that a result of a technological estimation of rocks deposits as intermediate link between their genesis and results of processing are quantitative communications between geology-technological features and parameters of crushing.

Key words: rocks, physicomechanical properties, geological investigation

Elena Kameneva, Candidate of Technical Sciences, Associate Professor at the Mining Department