СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ СМЕРЗШИХСЯ ОБРАЗЦОВ, СТРУКТУРНО СОПОСТАВИМЫХ С ВЗОРВАННЫМ МАССИВОМ ГОРНЫХ ПОРОД
METHOD OF MANUFACTURING FROZEN SAMPLES STRUCTURALLY COMPARABLE WITH EXPLOSED MASSIF OF ROACHES

Изобретение относится к области технических средств и их элементов, предназначенных для определения механических характеристик грунтов в лабораторных условиях.
Известен метод одноплоскостного среза по поверхности смерзания, при котором испытание мерзлого грунта методом одноплоскостного среза проводят для определения следующих характеристик прочности: сопротивления срезу мерзлого грунта, грунтового раствора и льда по поверхности их смерзания с материалом фундамента или другим твердым материалом, сопротивления срезу мерзлого грунта по поверхности смерзания с другим грунтом или грунтовым раствором, сопротивления срезу льда по поверхности смерзания с грунтом или грунтовым раствором [1] (прототип).
Данным методом испытывают пески (кроме сыпучемерзлых) и глинистые грунты. Испытания мерзлых грунтов проводят при температурах ниже температуры начала замерзания: на 0,5°С - для незасоленных и на 1°С - для засоленных. Для испытаний используют образцы грунта или грунтового раствора ненарушенного и нарушенного сложений. Образцы должны иметь форму цилиндра диаметром не менее 70 мм и высотой от 1/2 до 1/3 диаметра. Диаметр образца материала должен быть равным диаметру образца грунта.
Образец вида «грунт - грунтовый раствор (грунт)» подготавливают в следующей последовательности:
- для грунта ненарушенного сложения вырезают из монолита грунта образец по форме рабочего кольца срезного прибора и помещают его в рабочее кольцо;
- для грунта нарушенного сложения рабочее кольцо прибора заполняют заранее подготовленным грунтом заданного состава и влажности, добиваясь требуемой плотности грунта, после чего грунт замораживают через верхний или нижний торец;
- мерзлый грунт в рабочем кольце срезного прибора устанавливают в опорное кольцо формы. На это рабочее кольцо устанавливают второе такое же рабочее кольцо и на него помещают защитное кольцо формы. Верхнее рабочее кольцо заполняют предварительно охлажденным до температуры замерзания грунтовым раствором или грунтом заданного состава и влажности и проводят смораживание образца через верхний или нижний торец.
Для среза мерзлого грунта ненарушенного сложения из монолита вырезают образец высотой, соответствующей размерам смороженных колец в специализированных формах для приготовления образцов вида «грунт (грунтовый раствор, лед) - материал или в формах для приготовления образцов вида «грунт - грунтовый раствор (лед, грунт)». Образец перемещают в рабочие кольца и устанавливают в срезной прибор. Выдерживают при температуре испытания 12 ч или 24 ч в зависимости от диаметра образца. Все операции проводят в помещении с отрицательной температурой.
Во время промораживания измеряют температуру контрольного образца грунта, в который помещают термодатчик термоизмерительного устройства. Промораживание заканчивают, когда температура контрольного образца достигнет значения температуры воздуха в помещении. После этого образец извлекают из формы, герметизируют и сохраняют до испытаний.
Рыхление мерзлого массива горных пород в условиях многолетней мерзлоты ведут буровзрывными работами. Последующая экскавация взорванных горных пород осложняется их повторным смерзанием, что затрудняет их дальнейшую разработку горными машинами. Для осуществления процесса копания необходимо создать такое усилие выемочной машины, которое должно быть больше силы сопротивления копанию. Прочность повторного смерзания взорванных пород может оказаться выше усилий, создаваемых экскаваторами или другой техникой, и в этом случае взорванный массив может представлять собою почти непреодолимое препятствие для выемочного оборудования (особенно для экскаваторов-драглайнов). Удельное сопротивление копанию, в свою очередь, зависит от физико-технических показателей породы (влажности, температуры, гранулометрии, плотности, прочностных характеристик). Достоверная оценка прочностных характеристик взорванного массива в условиях его повторного смерзания позволяет правильно выбрать выемочное оборудование и режимы его работы. В натурных условиях не предоставляется возможности получить сдвиговые характеристики смерзшихся взорванных вскрышных пород.
Недостатком известного устройства (прототипа) является то, что на образцах, изготовленных согласно ГОСТ-1248-2010, невозможно определить сдвиговые характеристики смерзшегося взорванного массива горных пород.
Технической задачей данного изобретения являлась разработка способа изготовления смерзшихся образцов, структурно сопоставимых с взорванным массивом горных пород, позволяющих определить на них сопротивление срезу грунта методом одноплоскостного среза.
Предлагаемый способ изготовления смерзшихся образцов, структурно сопоставимых с взорванным массивом горных пород, включающий отбор, упаковку, транспортирование и хранение образцов породы, отличается тем, что вначале в специальном решетчатом поддоне изготавливают включения кубической формы, уплотнение породы производят методом вибрации, после чего включения замораживают до заданной экспериментом температуры, затем поддон с ячейками разбирают, вынимают включения, выдерживают их при комнатной температуре некоторое время до появления конденсата на поверхности для лучшего сцепления со связующим, перемешивают включения со связующим - породами месторождения, помещают перемешанные включения со связующим в специально изготовленную разъемную цилиндрическую форму (гильзу), после чего гильзу с породой устанавливают в климатическую камеру и замораживают до температуры, соответствующей температуре породы в массиве, применительно к различным периодам года, и выдерживают в холодильной установке до тех пор, пока температура в центре образца с установленным в нем термодатчиком не уравняется с заданной.
После замораживания разъемную гильзу разбирают и подготовленный образец подвергают испытанию на специально сконструированном стенде для лабораторных исследований прочности смерзшихся вскрышных горных пород.
При условии уплотнения образец помещают в прибор, который состоит из реечного пресса и динамометра со стрелочным индикатором. Уплотнение производится с усилием, соответствующим условию в задании на проведение эксперимента.
На фиг. 1 и 2 показан вид изготовленного смерзшегося образца, структурно сопоставимого с взорванным массивом горных пород.
Преимуществом предложенного способа изготовления образцов по сравнению с прототипом является возможность на образцах структурно сопоставимых с взорванным массивом оценить его прочность в условиях повторного смерзания.
Источники информации
1. ГОСТ 12248-2010. Грунты. Методы лабораторного определения характеристик прочности и деформируемости (прототип).
2. Руппенейт К.В., Либерман Ю.М. Введение в механику горных пород / Госгортехиздат, 1960. - 356 с.
3. Ямщиков B.C. Методы и средства исследования и контроля горных пород и процессов. М.: Недра, 1982. 296 с.
4. Ильницкая Е.И., Тедер Р.И., Ватолин Е.С. Свойства горных пород и методы их определения / М.: Недра. 1969. 392 с.
5. Методическое пособие по инженерно-геологическому изучению горных пород. В 2-х томах. Том I. Полевые методы / Под ред. Е.М. Сергеева. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Недра, 1984. 423 с.
6. Ильницкая Е.И., Тедер Р.И., Ватолин Е.С. и др. Свойства горных пород и методы их определения / М.: Недра, 1969. - 392 с.
7. Тайбашев В.Н. Физико-механические свойства мерзлых крупнообломочных пород / Магадан: ВНИИ-1, 1973. - 156 с.