Исследование морозостойкости кимберлитов

УДК 551.34 [622.371]

Исследование морозостойкости кимберлитов

А.С. Курилко

Приведены результаты экспериментальных исследований морозостойкости кимберлитов из трех месторождений Якутии. Показано, что при циклическом замораживании-оттаивании происходит самопроизвольная дезинтеграция кимберлитовой руды. Дезинтеграция зависит от открытой пористости кимберлитов и тем выше, чем больше пористость. Не наблюдалось дезинтеграции в образцах с пористостью меньше 2%. В кимберлитах с пористостью более 3% дезинтеграция наблюдалась у 74% образцов. Кимберлиты с прочностью менее 40 МПа дезинтегрируются полностью.

Presented in the paper are experimental results of a study of frost-resistance of kimberlites from three deposits of Yakutia. It is shown that there is a spontaneous disintegration of kimberlite ore under cyclic freezing-thawing. It was revealed that kimberlite frost-resistance depends on open porosity level Samples with porosity below 2% remain undamaged after five cycles of freezing-thawing. In kimberlites with porosity higher than 3%, disintegration is observed in 74% of samples. Kimberlites whose strength is lower than 40 MPa shows disintegration of all samples tested.

Проведены исследования морозостойкости кимберлитов трех месторождений алмазов: "Удачная-Восточная", "Юбилейная", "Интернациональная". Образцы пород в виде кернов были получены в Институте геологии СО РАН.

Кимберлиты каждой из трех изученных трубок имеют свою минеральную и химическую специфику. Кимберлиты тр. "Удачная-Восточная" содержат реликты неизменного оливина и показывают широкое развитие в трубке по глубине и по латерали минерала группы пироаурита - шегре-нита. Последний, будучи сложным гидрокарбонатом магния и трехвалентного железа, в поверхностных условиях неустойчив и выветривается, что, конечно, не может не отразиться на физических свойствах породы. Присутствие реликтов неизменного оливина должно увеличивать твердость породы и одновременно уменьшать её вязкость.

Для кимберлитов тр. "Юбилейная" характерно резкое преобладание серпентина над другими минералами (большее, чем в других трубках); .более высокая слюдистость кимберлитовых брекчий в верхних горизонтах рудного тела; наиболее широкие флуктуации карбонатности в сравнении с двумя другими изученными трубками.

КУРИЛКО Александр Сардокович - к.т.н., зав. лаб. ИГДС СО РАН.

Для руд тр. "Интернациональная" характерны их гипергенная измененность, присутствие в породах монтмориллонита, а среди породообразующих карбонатов - доломита. Присутствие монтмориллонита в кимберлитовых брекчиях может способствовать разбуханию пород при обводнении или при обработке их водными растворами, тем самым приводить к более легкой обогатимости руд.

Из кернов кимберлитовых руд были вырезаны образцы, близкие к кубической форме, с размерами ребра 2-3 см. Из одного керна изготавливали 2-3 образца. Один образец испытывался на прочность в исходном состоянии, второй образец подвергался испытаниям на морозостойкость.

Перед испытаниями на морозостойкость в образцах определяли открытую пористость. Для этого образцы высушивались при температуре 105 °С. Взвешивали на аналитических весах. Вакуумировали и насыщали под вакуумом дистиллированной водой. Вновь взвешивали и определяли по разности весов количество впитавшейся влаги. Затем взвешивали в воде. По полученным данным рассчитывали открытую пористость образцов, объёмную плотность.

Испытания на морозостойкость проводили по следующей методике: образцы высушивали до постоянного веса (8 часов) в сушильном шкафу при температуре 105 °С, затем помещали в алюминиевые бюксы и заливали дистиллированной

водой и промораживали в холодильнике при температуре -20 °С в течение 16 часов. После этого образцы вынимали из холодильной камеры и оттаивали при комнатной температуре в течение 8 часов, а затем образцы вновь помещали в холодильник и подвергали замораживанию. После каждого цикла замораживания-оттаивания образцы визуально обследовали, следили за образованием трещин и сколов, проверяли их целостность.

Для оценки разрушения образцов было введено четыре степени. Первая - скалываются вершины и ребра. Вторая - скололись ребра, начали разрушаться грани. Третья - сильные разрушения: присутствуют один или несколько кусков с максимальными размерами 1-2 см, большая часть образца распалась на мелкие части от 1 до 5 см. Четвертая - образец полностью разрушился на части размером 1-5 мм. Выявленные при обследовании полностью разрушенные образцы, т.е. достигшие четвертой степени разрушения по нашей градации, воздействию последующих циклов заморажива-ния-оттаивания не подвергались.

Таблица 1

Состояние образцов кимберлитов после воздействия циклов замораживания-оттаивания

№ Шифр образца Пористость, % Циклы

Трубка "Удачная-Восточная"

1 УВ-3/І 1,4 - - - - -

1м УВ-3/1 1,5 - - - - -

2 УВ-3/2 1,5 - - - - -

2м УВ-3/2 1,7 - - - - -

5 УВ-3/3 1,6 - - - - -

6 УВ-3/4 1,7 ' - - - -

7 УВ-74/54 7,7 + ++ +++ +++ +++

8 УВ-74/52 7,6 + + +++ +++ +++

9 УВ-1 6,5 - ++ +++ ++ +++

10 222/56 6,2 - + +++ +++ +++

Трубка "Юбилейная"

11 Ю-409/1 4,1 - - - ч- -ь

12 Ю-409/635,8 12,9 ++ +++ +++ +++ +++

13 Ю-409а 4,7 - + + + ++

14 Ю-409/811 13,3 + + + + ++

15 Ю-409/732 9,5 - ++ +++ +++

16 Ю-409а/1010 3,2 - ++ +++ +++ +++

17 Ю-409/774,5 8 - - -н -г +

18 Ю-93/475 12 - - - -

19 Ю-409а/860,5 14,5 ++ +++ +++ +++ +++

22 Ю-409а/1040 4,4 - - + ч- +

Трубка "Интернациональная"

23 ИН-117 14,3 - +++ +-Н-

24 ИН-120 14 - - - - -

26 ИН-118 12,5 + ++ +++ +++ +++

27 ИН-121 7,4 - - - - -

29 ИН-121/1 5,7 - - - - -

Условные обозначения:

- - видимых разрушений нет; + - образец начал разрушаться; +++ - образец полностью разрушился.

-* - скалываются ребра; ++ - сильные разрушения;

Образцы подверглись воздействию пяти циклов замораживания-оттаивания. Образцы, оставшиеся целыми, и образцы, подвергшиеся разрушению первых двух степеней, были испытаны на прочность при сжатии. Результаты испытаний представлены в табл. 1-2 и на рис. 1.

0 12 3 4 5

Количество ЦИКЛОВ

35- целые частично разрушенные

Ш - полностью разрушенные

Рис 1. Состояние образцов кимберлитов после воздействия циклов замораживания-оттаивания

ИССЛЕДОВАНИЕ МОРОЗОСТОЙКОСТИ КИМБЕРЛИТОВ Прочность образцов кимберлитов

Таблица 2

№ Шифр образца Пористость. % Степень разрушения Прочность до воздействия циклов замораживания-оттаивания, МПа Прочность после воздействия циклов замораживания-оттаивания, МПа

Трубка "Удачная-Восточная''

1 УВ-3/1 1.4 - 64,9 68,7

1м УВ-3/1 1,5 -

2 УВ-3/2 1.5 - 42.1 40,1

2 м УВ-3/2 1,7 -

5 УВ-3/3 1,6 - 61,6 34,6

6 УВ-3/4 1.7 ч- 54,0 39,4

7 УВ-74/54 1,7 +++ 87,0 0

8 УВ-74/52 7,6 +++ 52,5 0

9 УВ-1 6,5 +++ 30,2 0

10 222/56 6,2 +++ 26.9 0

Трубка "Юбилейная"

11 Ю-409/1 4,1 т- 49,2 10,0

12 Ю-409/635,8 12,9 +++ 34,4 0

13 Ю-409а 4,7 39,4 0

14 Ю-409/811 13,3 ++ 19,6 0

15 Ю-409/732 9,5 +++ 23,3 0

16 Ю-409а/1010 3,2 +++ 26,2 0

17 Ю-409/774,5 8 + 40,9 6,2

18 Ю-93/475 12 - 45,5 47,3

19 Ю-409а/860,5 14,5 +++ 42,8 0

22 Ю-409а/1040 4,4 51,4 37,9

Трубка "Интернациональная"

23 ИН-117 14,3 +++ 15,9 0

24 ИН-120 14 - 50,3 10,0

26 ИН-118 12,5 +++ 39,8 0

27 ИН-121 7,4 - 34,7 45,8

29 ИН-12І/1 5,7 - 59,0 37,9

После первого цикла замораживания-оттаивания сильно разрушились образцы кимберлита № 12 и 19 тр. "Юбилейная". Начали разрушаться образцы № 7 и 8 (тр."Удачная"), образец № 26 (тр. "Интернациональная").

После второго цикла два образца кимберлита тр. "Юбилейная" №12 и 19 с пористостью, соответственно 12,9 и 14,5%, полностью разрушились и их в дальнейшем замораживанию не подвергали. Еще шесть образцов имели сильные разрушения, четыре образца начали разрушаться.

После третьего цикла замораживания-оттаивания полностью разрушились четыре образца кимберлитов тр. "Удачная-Восточная" с пористостью Ь,2-1,1%, два образца тр. "Интернациональная", два образца тр. "Юбилейная". Первую и вторую степень разрушения имели пять образцов тр. "Юбилейная".

После пяти циклов замораживания-оттаивания шесть образцов тр. "Удачная-Восточная" с пористостью 1,4-1,7 %, три образца тр. "Интернациональная", два образца тр. "Юбилейная" оставались целыми или у них имелись только незначительные сколы на ребрах. Остальные 14 (56%) образцов кимберлита разрушились.

Наименее морозостойкими оказались образцы кимберлита тр. "Юбилейная", разрушились 8 из 10 (80%). Из 5 образцов тр. "Интернациональная" разрушились 2, в них, как следует из данных минералогического анализа, было выявлено повышенное содержание монтмориллонита. Из образцов тр. "Удачная-Восточная" разрушились 4 из 10 (40%). Целыми остались 6 образцов с пористостью меньше 2%.

Анализ, проведенный по совокупным результатам воздействия циклов замораживания-оттаивания на образцы кимберлитов 3 трубок, показал явное влияние на морозостойкость кимберлита его пористости. На рис. 2 приведена гистограмма доли разрушившихся после пяти циклов замораживания-оттаивания образцов кимберлитов в зависимости от их начальной открытой пористости. На рис. 3 показана остаточная относительная прочность образцов после воздействия 5 циклов замораживания-оттаивания для кимберлитов с различной пористостью. При подсчете средней остаточной относительной прочности учитывали все образцы данного класса, принимая, что полностью разрушенные образцы обладают нулевой прочностью.

Из рис. 2-3 видно, что на морозостойкость кимберлитов сильно влияет открытая пористость. Пять циклов замораживания-оттаивания на кимберлиты первого класса с пористостью 1,4-1,7% ощутимого влияния на целостность и прочность не оказали. Все образцы остались целыми. Средняя прочность понизилась на 18%. В то же время образцы кимберлитов с пористостью 6,2-9,5% на 86% оказались разрушенными. Остаточная прочность составила 18% от начальной прочности.

Пористость, %

Рис. 2. Доля разрушившихся образцов кимберлитов после пяти циклов замораживания-оттаивания в зависимости от пористости

100

0-3 3-6 6-9 9-15

Пористость, %

Рис. 3. Остаточная прочность образцов кимберлитов после пяти циклов замораживания-оттаивания в зависимости от пористости

Влияние на морозостойкость кимберлитов начальной прочности показано на рис. 4. По оси абсцисс отложены значения начальной прочности кимберлитов, по оси ординат - прочность образцов, оставшихся целыми после воздействия циклов замораживания-оттаивания. Из диаграммы видно, что для образцов с начальной прочностью меньше 40 МПа воздействие циклов приводит к полной потере прочности, к дезинтеграции кимберлита. Для кимберлитов с прочностью выше 40 МПа дезинтеграция прошла в 47% образцов, 29% образцов сохранили свою первоначальную прочность, остальные снизили прочность на 20-74%. Средняя прочность оставшихся целыми образцов составляет 74% от их начальной прочности.

15-25 25-35 35-45 45-55 55-65

Начальная прочность, МПа В- прочность

Рис. 4. Остаточная прочность кимберлитов в зависимости от начальной прочности

Таким образом, проведенные исследования показали, что при циклическом замораживании-оттаивании происходит самопроизвольная дезинтеграция кимберлитовой руды. Дезинтеграция зависит от открытой пористости кимберлитов и тем выше, чем больше пористость. Не наблюдалось дезинтеграции в образцах с пористостью меньше 2%, содержание которых в исследованных кимберлитах меньше 20%. В кимберлитах с : пористостью более 3% дезинтеграция отмечалась I у 74% образцов. Кимберлиты с прочностью менее I 40 МПа дезинтегрируются полностью. (

Проведенные исследования показали слабую г морозостойкость кимберлитов, что может быть ) использовано при разработке новых кристалло- 1 сберегающих технологий обогащения алмазов.

п

в;

И