Снижение энергии разрушения горных пород под влиянием морозного выветривания

© Е.В. Захаров , 2013

УДК 622.7 Е.В. Захаров

СНИЖЕНИЕ ЭНЕРГИИ РАЗРУШЕНИЯ ГОРНЫХ ПОРОД ПОД ВЛИЯНИЕМ МОРОЗНОГО ВЫВЕТРИВАНИЯ

Приведены результаты исследований по установлению влияния циклов за-мораживания-отгаивания на удельную энергоемкость разрушения карбонатных пород с алмазных месторождений Якутии. Экспериментальными исследованиями установлено, что воздействие 3-5 циклов замораживания-оттаивания в водной среде приводит к снижению энергоемкости разрушения исследуемых пород в 2—3 раза. Более 70% первоначальной массы кимберлита дезинтегрируется без механического воздействия лишь под влиянием циклов.

Ключевые слова: криолитозона, выветривание горных пород, энергозатраты, циклы замораживания-оттаивания.

В условиях Севера, а также местах распространения криолитозоны, с уменьшением глубины залегания, увеличивается влияние знакопеременных температур на процессы выветривания горных пород [1]. В связи с этим, значительный интерес представляет возможность использования циклического замораживания-оттаивания для предварительного разупрочнения горных пород.

В ИГДС СО РАН проведены исследования влияния циклов замораживания-оттаивания на энергоемкость процесса разрушения горных пород. Исследовались образцы известняков карьеров «Удачный», «Айхал», «Мохсоголлох», а также кимберлит трубок «Интернациональная» и «Мир». В табл. 1 приведены основные физические свойства исследуемых пород.

Таблица 1

Основные физические свойства пород

Порода Ист. плотность, кг/м3 Влажность, % Пористость, %

Известняк к. «Удачный» 2710 0,5 12

Известняк к. «Айхал» 2550 0,9 13,5

Известняк к. «Мохсоголлох» 2755 0,3 1

Кимберлит тр. «Интернациональная» 2780 3,5 13

Кимберлит тр. «Мир» 2805 3 10

Исходный материал каждого месторождения предварительно дробился для получения класса -20+10 мм, затем отмывался от глинистых включений и высушивался при положительной температуре. После сушки вновь производился рассев по классу -20+10 мм, далее из просеянной и усредненной пробы квартованием формировались навески для проведения испытаний. Навески образцов массой 50 гр. каждая, помешались в алюминиевые бюксы. Одна третья часть заливалась дистиллированной водой, вторая часть заливалась 5 % раствором ИаС1, а третья часть оставалась в воздушно-сухом состоянии (в состоянии естественной влажности). Образцы выстаивались в течение двух суток для на-сышения пор водой, а затем помешались в морозильную камеру с температурой -20°С. При достижении заданной температуры (время замораживания составляло около 6 часов) процесс замораживания заканчивался, бюксы вынимались из морозильной камеры и размораживались при температуре +20°С. В соответствии с программой испытаний, образцы подвергались воздействию 1, 3, 5 и 10 циклов замораживания-оттаивания.

Исследуемый материал после воздействия заданного количества циклов замораживания-оттаивания, извлекался из воды и рассола, высушивался при положительной температуре и дробился на вертикальном копре многократными ударами па-даюшего груза. Дробленый материал подвергался полному ситовому анализу, по данным которого рассчитывалась плошадь поверхности образованной в результате дробления, а затем определялась удельная энергоемкость процесса разрушения образцов [2, 3].

В исходном состоянии, без воздействия циклов замораживания-оттаивания, удельные энергозатраты на разрушение исследуемых пород составили: для известняков к. «Удачный» — 4060 Дж/м2, известняков к. «Айхал» — 2820 Дж/м2, известняков к. «Мохсоголлох» — 3500 Дж/м2, кимберлита тр. «Интернациональная» — 2100 Дж/м2, тр. «Мир» — 2470 Дж/м2. В исходном состоянии относительная погрешность определения энергоемкости разрушения кимберлитов составила — 1,9% (тр. «Мир») и 3,9 % (тр. «Интернациональная»).

На рис. 1—3 приведены относительные удельные энергозатраты на разрушение исследуемых пород. Для сравнения значений удельных энергозатрат, полученных после воздействия циклов замораживания-оттаивания, результаты исследований приводятся в относительных удельных энергозатратах, при этом за 100 % приняты энергозатраты, полученные при положительной температуре +20 °С. Точками показаны данные, полученные в ходе эксперимента, по которым проведены линии тренда.

120

0 Л-]-1-1-1-Г-

0 2 4 6 8 10

Количество циклов замораживания-оттаивания

Рис. 1. Относительная энергоемкость разрушения известняков в зависимости от количества циклов замораживания-оттаивания

Воздействие первого цикла замораживания-оттаивания приводит к снижению на 40% относительных удельных энергозатрат при разрушении образцов известняка карьера «Удачный» замороженных в 5% растворе ИаС! (рис. 1). После воздействия 3 циклов замораживания-оттаивания, относительная энергоемкость дробления данных образцов снижается уже на 70% по сравнению с дроблением исходного материала. При дальнейшем увеличении числа циклов замораживания-оттаивания, относительная удельная энергоемкость разрушения постепенно снижается и после воздействия 10 циклов составляет 20% от первоначального уровня энергозатрат.

Удельная энергоемкость разрушения образцов замороженных в водной среде, после воздействия 3 циклов замораживания-оттаивания, снижается на 40% по сравнению с материалом не прошедшим обработку. Воздействие 5 циклов замораживания-оттаивания позволяют снизить относительные энергозатраты на разрушение образцов еще на 15%. В конечном итоге, после воздействия 10 циклов замораживания-оттаивания относительные удельные энергозатраты на разрушение образцов замороженных в водной среде снижаются на 60% по сравнению с энергозатратами исходного материала.

Проведенными экспериментами установлено, что после первого цикла замораживания-оттаивания удельная энергоемкость разрушения образцов известняка карьера «Айхал» снижается на 40%. Воздействие еще 2 циклов приводит к снижению энергозатрат еще на 20%. После 5 циклов замораживания-оттаивания энергозатраты на разрушение водонасыщенных образцов известняка карьера «Айхал» на 70% меньше, чем у исходных образцов.

Таким образом, удельная энергоемкость разрушения исследуемых пород с каждым воздействием циклов замораживания-оттаивания снижается. После 3—5 циклов замораживания-оттаивания энергоемкость разрушения по сравнению с исходными значениями, снижена в 2—3 раза.

На рис. 2 приведены удельные энергозатраты на разрушение известняка карьера «Мохсоголлох», образцы которого исследовались в воздушно-сухом состоянии, в водной среде и 5% растворе ИаС1.

Максимальное снижение энергоемкости разрушения установлено у образцов, замороженных в 5% растворе ИаС1, воздействие 3 циклов замораживания-оттаивания снижает энергоемкость их разрушения на 60%. При дальнейшем увеличении числа циклов замораживания-оттаивания энергозатраты данных образцов не изменяются. Воздействие 3 циклов замораживания-оттаивания на образцы, замораживаемые в водной среде приводит к снижению относительных энергозатрат на 30 %, а после 5 циклов замораживания-оттаивания энергозатраты снижаются еще на 10 %. В итоге к 10 циклу замораживания-оттаивания энергозатраты составляют 60 % от первоначальных.

£ 5

= £

£ 5

1 Е

я ^

2 а - л

г ¡~

а и

Н о

= ^

О о

? О

Н I-

о & =

Л

100 80 60 40 20

\ * —---

\ \ \ ^ \ ---------

ч \ Ч----ж-___ *

♦ Воздушно-сухие  Водная среда А Рассол

0 2 4 6 8 10

Количество циклов замораживания-опаивания

Рис. 2. Относительная энергоемкость разрушения известняка карьера «Мохсоголлох» в зависимости от количества циклов замораживания-оттаивания

Энергоемкость разрушения воздушно-сухих образцов известняка после воздействия 3 циклов замораживания-оттаивания снижается на 10 %. С 5—10 цикл энергозатраты на разрушение образцов не изменяются и находятся на уровне 80% от исходных удельных затрат энергии.

Воздействие 3 циклов замораживания-оттаивания на образцы кимберлита трубки «Интернациональная» в водной среде и растворе ИаС1 приводят к снижению удельной энергоемкости разрушения на 60 % (рис. 3). После 5 циклов она снижается еще на 10—15 %, а после 10 циклов замораживания-оттаивания удельные энергозатраты по сравнению с исходными ниже на 70—80 %. Под влиянием циклов замораживания-оттаивания происходит изменение энергоемкости разрушения воздушно-сухих образцов кимберлита. С увеличением числа циклов замораживания-оттаивания энергоемкость падает и после 10 циклов затраты энергии на разрушение воздушно-сухого кимберлита снижаются на 30% по сравнению с исходным значением.

120

0 1(11-1-ГО 2 4 6 8 10 Количество циклов замораживания-оттаивания

Рис. 3. Относительная энергоемкость разрушения кимберлита трубки «Интернациональная» в зависимости от количества циклов замораживания-оттаивания

При испытаниях кимберлита трубки «Мир» были получены следующие данные. Воздействие трех циклов замораживания-оттаивания на водонасыщенные и насыщенные 5 % солевым раствором образцы кимберлита, приводят к снижению энергозатрат на 65—75 % по сравнению с исходными энергозатратами. При дальнейшем увеличение числа циклов замораживания-оттаивания энергозатраты на разрушение водо- и соленасыщенных образцов кимберлита постепенно понижаются. Воздействие трех-пяти циклов замораживания-оттаивания на образцы воздушно-сухого кимберлита трубки «Мир», в отличие от кимберлита трубки «Интернациональная» не приводит к изменению удельных энергозатрат. Однако под действием циклов замораживания-оттаивания дефекты и повреждения структуры материала накапливаются и развиваются, и к восьмому циклу энергоемкость разрушения воздушно-сухих образцов снижается на 15 %, с 2470 Дж/м2 до 2100 Дж/м2.

В технологическом плане значительный интерес представляет низкая морозостойкость кимберлита и его высокая дезинтеграция под влиянием циклического замораживания-оттаивания.

Исследования проводились с кимберлитами тр. «Интернациональная» и тр. «Мир». Подготовленный и отмытый от глинистых включений кимберлит с массой навески около 1 кг. каждый, после насыщения в течении 2 суток дистиллированной водой и 5 % раствором ИаС1 подвергался воздействию 3, 5 и 10 циклов замораживания-оттаивания. После воздействия заданного количества циклов кимберлит вынимался из воды и рассола, высушивался при температуре +20 °С и подвергался ситовому анализу. На рис. 4 приведен ситовой анализ кимберлита трубки «Интернациональная» после воздействия циклов замораживания-оттаивания в водной среде, из которого следует, что воздействие 3-х циклов приводит к дезинтеграции 70% исходного материала без механического воздействия. В дальнейшем после 5 и 10 циклов замораживания-оттаивания в исходном классе крупности (-20+10 мм) остается лишь 20 % первоначального материала.

Рис. 4. Ситовой анализ кимберлита трубки «Интернациональная» после воздействия циклов замораживания-оттаивания в водной среде

Ситовой анализ кимберлита трубки «Мир» показал, что воздействие 3 циклов замораживания-оттаивания в водной среде, приводит к дезинтеграции 80 % исходного материала. Полученные экспериментальные данные хорошо согласуются с исследованиями по дезинтеграции кимберлита трубки «Удачная», проведенными ранее в институте. Исследования показали, что

под влиянием трех циклов

замораживания-оттаивания кимберлит трубки «Удачная» дезинтегрируется на 90 % [4].

Необходимо отметить

Рис. 5. Дезинтеграция кимберлита под влиянием циклов замораживания-оттаивания

под воздействием циклов замораживания-оттаивания происходит накопление дезинтегрированного материала в средних и мелких классах крупности -5+2 мм и -2+1 мм, что приводит к практически полному раскрытию кристаллов

находящихся в кимберлите без механического воздействия на породу (рис. 5).

Ряд авторов утверждает, что решающим фактором криогенного разрушения высокопористых горных пород является не только присутствие воды, но и ее количество [5, 6]. Другие работы показывают, что кроме воды, на разрушение горных пород также оказывают влияние: скорость промерзания, длительность циклов замораживания-оттаивания, количество циклов и их амплитуда [6, 7, 8].

Выветривание горных пород, их самопроизвольная дезинтеграция под действием циклического замораживания-оттаивания обусловлена постепенным накоплением повреждений в горной породе, вызываемых термонапряжениями, возникающими при изменении объема компонентов слагающих породу, миграции поровой влаги. При этом одновременно на скелет породы давит как лед, так и оставшаяся незамерзшая вода, сдавливаемая льдом.

При исследовании воздействия циклического замораживания-оттаивания на кимберлит и карбонатные породы алмазных месторождений Якутии было установлено, что удельная энергоемкость их разрушения снижается в два и более раз уже после 3—5 циклов замораживания-оттаивания. Помимо снижения энергозатрат, воздействие 3—5 циклов приводит к самопроизвольной дезинтеграции (без механического воздействия

породоразрушающих механизмов) и переходу в мелкие классы крупности более 70 % первоначальной массы кимберлитов.

Полученные результаты экспериментальных исследований по влиянию знакопеременных температурных воздействий на энергоемкость процесса разрушения горных пород могут служить основой для разработки: энергосберегающих технологий добычи и переработки полезных ископаемых криолитозоны; мероприятий по обеспечению устойчивости горных выработок; кристаллосберегающих технологий добычи и обогащения алмазосодержащего сырья.

- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Маслов А.Д., Осадчая Г.Г., Тумель Н.В., Шполянская Н.А. Основы геокриологии. — Ухта: Изд-во «Институт управления, информации и бизнеса», 2005. — 176 с.

2. Захаров Е.В. Исследование влияния знакопеременных температурных воздействий на энергоемкость процесса дробления горных пород. — Горный информационно-аналитический бюллетень. — Москва: МГГУ. — 2009. — № 5. — С. 276—282.

3. Захаров Е.В., Курилко А.С. Энергетические показатели разрушения горных пород и их зависимость от температурного фактора. — Наука и образование, 2009. — № 1. — С. 19—25.

4. НовопашинМ.Д., Курилко А.С. Дезинтеграция кимберлитов под воздействием циклов замораживания-оттаивания. — «Фундаментальные проблемы формирования техногенной геосреды»: труды конференции с участием иностранных ученых, г. Новосибирск, 10—13 окт. 2006 г. — Новосибирск, 2007. — С. 68—73.

5. Дмитриев А.П., Гончаров С.А. Термодинамические процессы в горных породах. — Учебник для вузов. — Москва: Недра, 1983. — 312 с.

6. Mellor M. Phase composition of pore water in cold rocks. — US Army Corps of Engineers, Cold Region Research and Engineering Laboratory Research Rept. 202, 1970. — 61 p.

7. Шестернев Д.М. Криогипергенез и геотехнические свойства пород криолитозоны. — Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2001. — 266 с.

8. Matsuoka N. Microgelivation versus macrogelivation: towards bridging the gap between laboratory and field frost weathering. — Permafrost and Periglacial Processes 12: 2001b. — pp. 299—313.EH

КОРОТКО ОБ АВТОРЕ -

Захаров Евгений Васильевич — кандидат технических наук, научный сотрудник Институт горного дела Севера им. Н.В. Черского СО РАН, е-таИ; zaharoff@igds.ysn.ru.