Особенности оценки физико-механических свойств горных пород при геологоразведочных работах

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. м3. 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 С 2 и С 1 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 минералогопетрографический 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-сортировочных 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 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 физикомеханическими свойствами исходной породы, но и технологией производства. Форма зерен (кубовидность) определяется как текстурно-структурными особенностями исходного сырья (сланцеватость, слоистость), так и способом дробления, типом применяемого оборудования, степенью загрузки дробилки, схемой дробления (табл.)

Таблица 1. Технологические факторы, влияющие на форму зерен щебня

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, 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.

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%.

Средняя плотность и водопоглоще-ние щебня зависят от пористости (трещиноватости) 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).

Таблица 3. Средняя плотность (ρ ср ), водопоглощение (W), пористость (П) горных пород и щебня

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 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

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: минералогопетрографический 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 физикомеханических 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.