Электромонтаж Ремонт и отделка Укладка напольных покрытий, теплые полы Тепловодоснабжение

Экспериментальные исследования физико-механических свойств горных пород Криворожского бассейна


Результаты разрушения пород взрывом при прочих равных условиях во многом определяются физико-механическими свойствами взрываемой среды. Часто в качестве показателя, характеризующего породу, применяют коэффициент крепости пород по шкале проф. М.М. Протодьяконова. В то же время коэффициент крепости не учитывает структурных и текстурных особенностей массива, которые существенно влияют на взрываемость пород. Образцы породы при определении коэффициента крепости в лабораторных условиях подвергаются статическим нагрузкам, а в момент взрыва породы испытывают динамические нагрузки, тогда как физико-механические константы горных пород зависят от характера приложения нагрузки.

Недостатком классификации пород по буримости является необходимость периодического пересмотра показателя буримости по мере совершенствования техники буровых работ.

При определении пород по взрываемости указываются лишь тип BB, диаметр скважины и ее глубина, материал и длина забойки. На взрываемость пород влияют схемы расположения скважин или шпуров, способ и плотность их заряжания, расположение патрона-боевика, качество забоечного материала, конструкция заряда и забойки, способ взрывания и другие факторы. Все вышеперечисленные факторы, как правило, не учитываются при определении взрываемости пород.

При взрывании горных пород количество энергии, затрачиваемое на их разрушение, находится в прямой зависимости от упругих показателей. Упругие показатели полностью определяют поведение акустических и ударных волн в горных породах. Поэтому к основным физическим свойствам пород, влияющим на разрушение взрывом, относятся: модуль упругости, коэффициент Пуассона, скорость распространения волн напряжений.

На основе многолетних исследований различных авторов для условий железорудных карьеров Криворожского, бассейна установлена корреляционная зависимость между упругими и прочностными, характеристиками пород. При этом упругие свойства среды зависят от ее напряженности, которая может создаваться разновременным взрывом зарядов ВВ. Дальнейшие исследования направлены на развитие ранее полученных результатов в новых условиях разработки, с учетом перехода на глубокие горизонты п возможного влияния глубины разработки на упругие характеристики среды, а следовательно, на параметры взрывания (интервал замедления, порядок инициирования и др.), формирование и распределение поля напряжений.

Взрыв в горной породе в значительной степени определяется темн свойствами, которые определяют закон распространения в горной породе ударной волны и величины диссипативных потерь их энергии.

А.И. Ханукаев, исследуя влияние физико-механических свойств пород на их разрушение взрывом, пришел к выводу, что взрываемость пород характеризуется акустической жесткостью, которая является одной из важнейших характеристик, определяющих упругие свойства и прочность пород.

В крепких и весьма крепких породах основной объем разрушении обусловлен действием упругих волн. Часть энергии взрыва расходуется на пластические деформации в зоне, примыкающей к заряду, часть переходит в энергию упругих волн. В безгранично упругой среде распространяются два вида волн: продольная — со скоростью Cp и поперечная — со скоростью С4. Измерить скорость распространения поперечных волн весьма трудно, однако известна методика, позволяющая обойтись без их измерений, используя при этом скорость продольных волн, распространяющихся в безграничной среде См.р, и скорость продольных волн, распространяющихся в тонком стержне Cст.л.

В лабораторных условиях можно измерить как скорость продольных воли, распространяющихся в безграничной среде, так и скорость продольных воли, распространяющихся в стержне.

В теории упругости установлена следующая связь между скоростью Cр, плотностью р, ускорением силы тяжести g и упругими постоянными среды: модулем упругости Е, модулем всестороннего сжатия С, модулем сдвига k и коэффициентом Пуассона u.

Для продольной волны, распространяющейся в безграничной среде,
Экспериментальные исследования физико-механических свойств горных пород Криворожского бассейна

Для продольной волны, распространяющейся в стержнях, у которой поперечное сечение значительно мало по сравнению с длиной волны.

Известно, что для возбуждения продольной волны и безграничном массиве длина волны ультразвуковых колебаний Л, должна быть несколько меньше величины основания образца в торце а0, т. е.

В этом случае боковые поверхности образца не будут искажать отсчитываемое время прихода продольной волны. Длина образца i0 должна превышать длину ультразвуковой волны в 4—5 раз, т. е.

Для возбуждения продольной волны в стержне между длиной ультразвуковых колебаний А, и размером стержня в торце аст должны соблюдаться следующие соотношения:

Между скоростью распространения продольной волны в безграничной среде См.р и в тонком стержне Cст.р существует следующая зависимость:

Пользуясь выражением (1), можно определить коэффициент Пуассона

По скорости распространения продольной волны в стержне определяется модуль упругости

Модуль сдвига определяется из выражения

Модуль всестороннего сжатия

По найденному модулю сдвига определяются:

- скорость распространения поперечной волны

постоянная Ляме

В лабораторных условиях скорость распространения продольных волн в образцах горных пород карьеров ИнГОКа и НКГОКа нами определялась при помощи импульсного ультразвукового дефектоскопа ДУК-20 и ультразвукового преобразователя.

Скорость распространения ультразвуковых колебаний

где l — длина образца, мм; t — время распространения ультразвуковых колебаний в образце, мс;

где tp — полное время прохождения ультразвуковой волны через аппаратуру, приемный и излучающий вибраторы и исследуемый образец породы, мс; iп — поправка времени на прохождение ультразвуковой волны через аппаратуру, приемный и излучающий вибраторы, мс.

Из образцов, отобранных на карьерах ИиГОКа и НКГОКа, на камнерезных машинах вырезали кубики с размером стороны 80 мм для измерения скорости распространения продольных воли в массиве параллельно и перпендикулярно напластованию и стержни с квадратным сечением 5x5 мм в торце и длиной 160 мм. Стержни вырезались вдоль и поперек напластования. Плотность образцов определялась по общепринятой методике.

Образцы на карьерах отбирались на всех действующих горизонтах с таким расчетом, чтобы охватить все виды пород, разрабатываемые карьером.

Для определения скорости распространения продольных волн в массиве применялись ультразвуковые преобразователи с частотой ультразвуковых колебаний 800 кГц, а для определения скорости распространения продольных воли в стержне — 150 кГц.

Используя данные ультразвуковых исследований, при известной плотности пород по формулам (2)—(7) определялись упругие константы горных пород (табл. 12, 13).


Кроме ультразвукового метода определения скорости продольной упругой волны в образцах горных пород был применен метод взрывной нагрузки. Сущность метода заключается в следующем: скорость распространения ударной волны определяется на образцах по схеме заряд BB — пусковой пьезоэлемент — образец — приемный пьезоэлемент.

Ударная волна, образованная при взрыве заряда BB (ТЭН массой 200—250 мг), проходит через образец породы и создает напряжение на пьезоэлементе (приемнике). Зависимость между силой F, действующей на пьезодатчики из сегнетовой соли, и количеством электричества Q, появляющегося на нем, определяется по следующей формуле:

где d — пьезоэлектрический модуль.

Регистрация времени прохождения волной фиксированного расстояния (между пусковым и приемным пьезоэлементами) осуществлялась осциллографом ОК-17А, запуск которого производился от пьезодатчика, расположенного под зарядом ВВ. По времени прохождения волной образца и его размеру из известного кинематического уравнения определяли скорость волны.

Аналогичные исследования были проведены с образцами горных пород карьеров ЮГОКа и ЦГОКа. Данные определения скорости продольных волн, полученные ультразвуковым и взрывным способами, в абсолютных значениях отличаются незначительно, что подтверждает достоверность результатов. Вместе с тем, ультразвуковой метод более прост, а поэтому может быть рекомендован как основной.

Скорости, полученные при испытаниях. на образцах породы (кубики, стержни и др.), часто значительно отличаются от истинных (в массиве горных пород), которые по абсолютным величинам всегда меньше, что связано с наличием в массиве трещин, пустот, прослойков разнородных горных пород. В этой связи для практических расчетов необходимы истинные скорости упругих волн в различных горных породах. Для определения скоростей упругих волн непосредственно в массиве нами была использована лаборатория акустического каротажа ЛАК-1, предназначенная для исследования геологического разреза скважин по упругим свойствам пластов, контроля технического состояния скважин, а также для определения скорости распространения упругих колебаний в породах по первым вступлениям.

При акустическом каротаже в породы, окружающие скважину, посылают ультразвуковые импульсы упругих колебаний, которце пройдя по породам вдоль ствола скважины, воспринимаются приеминком, расположенным в скважинном приборе на некотором расстоянии от излучателя, и передаются по кабелю на поверхность. В результате измерений определяют время пробега волны и, зная расстояние между излучателем и приемником, находят скорость распространения упругой волны. Система работает в условиях, когда скважина заполнена водой.

Для возбуждения и приема упругих колебаний в скважине на ЛАК-1 используется трехэлементный зонд, состоящий из двух излучателей и одного приемника (рис. 4). Сигнал информации, переданный на поверхность, поступает на электронно-лучевую трубку.

В процессе записи изображения отдельных строк накладываются, образуя непрерывную диаграмму с изображением волновой картины принятого сигнала. При этом на фотобумаге происходит накопление полезного сигнала.

Глубина погружения скважинного прибора и скорость его движения в скважине фиксируются на контрольной панели, как в обычных каротажных станциях.

На карьерах НКГОКа и ИнГОКа акустический каротаж производился опытно-методической партией Приднепровской геофизической экспедиции совместно с сотрудниками Института геотехнической механики АН Украины и рудников НКГОКа и ИнГОКа в двух вариантах. При первом варианте на карьерах выбирались участки с таким расчетом, чтобы охватить акустическим каротажем один тип породы на всех действующих горизонтах рудников для установления закономерности распространения скоростей упругих волн в зависимости от глубины разработки (табл. 14, 15). При втором варианте производился выборочный каротаж, т. е. акустическому каротажу подвергались все основные виды пород, слагающие месторождение рудников.

На каждом из блоков выбирались но четыре — шесть скважин, расположенных в направлении от кромки уступа в глубь массива, для определения зависимости изменения скоростей распространения упругих воли в направлении от кромки уступа в тыл массива.

Параллельно с акустическим каротажем скважин отбирались образцы исследуемых горных пород для установления упругих констант в лабораторных условиях.

В результате обработки полученных материалов установлено, что скорость распространения продольных и поперечных волн, в породах разрабатываемых горизонтов практически не зависит от глубины карьера. Это объясняется тем, что физико-механические свойства горных пород магматического и метаморфического происхождения с увеличением глубины на небольшие интервалы (до 500 м) практически не изменяются, а месторождения карьеров ИнГОКа и НКГОКа сложены в основном докембрийскими метаморфическими породами Криворожской серии.

Характерно, что породы верхних участков уступов на любом (по глубине) горизонте не давали показаний при замере скоростей распространения упругих волн, что обусловлено как естественной трещиноватостью, так и интенсивной трещиноватостью, вызванной предыдущими взрывами.

Таким образом, верхние пачки уступов, как один из источников выхода негабарита и некачественного дробления пород взрывом, с глубиной разработки не снижают своего влияния па общий уровень дробления горной массы. Поэтому методы взрывания в зажатой среде, встречного погоризонтного взрывания, рассредоточенных конструкций зарядов, заряды с повышенной концентрацией энергии и другие методы при разработке месторождений полезных ископаемых на больших глубинах останутся весьма эффективными.

Имя:*
E-Mail:
Комментарий: