Для месторождений зоны многолетней мерзлоты характерна отрицательная температура горных пород, предопределяющая их повышенную прочность и необходимость предварительного разрушения буровзрывными работами. В процессе взрывного разрушения выделяется некоторое количество тепла, приводящее к растеплению поверхностного слоя мерзлых пород и появлению влаги в виде воды или пара в этом слое, которая замерзает за счет аккумулированного в кусках отбитой породы холода, превращая отбитую горную массу в смерзшийся монолит. Это значительно осложняет ведение горных работ в таких условиях.
Исследования процесса смерзания пород были начаты в нашей стране еще в 1930-х гг. и продолжаются по настоящее время. Из современных исследователей внесших значительный вклад в изучение данной проблематики, можно отметить С.И. Васильева, занимавшегося исследованиями физико-механических свойств и прочностных характеристик мерзлых грунтов [1, 2]. Одним из продолжателей школы механики мерзлых пород является С.С. Волохов. Он исследовал прочность смерзания грунта с различными материалами [3] и в последние годы плотно занимается термореологией мерзлых, промерзающих и протаивающих пород, в частности исследованием механокалорического эффекта в мерзлых грунтах [4]. Интересные результаты по механизму разрушения мерзлых грунтов во взаимосвязи с фазовыми переходами грунтовой влаги получены А.А. Коноваловым [5].
Системное изучение процесса смерзания в Институте горного дела Севера им. Н.В. Черского СО РАН (Якутск) было начато в 1990-х гг. и ведется по настоящее время. Здесь можно отметить работы М.В. Каймонова и А.С. Курилко, направленные на изучение механизма смерзания взорванной горной массы. На основании этих результатов исследований были разработаны рекомендации по предотвращению смерзания отбитой мёрзлой руды в очистных блоках рудников криолитозоны [6]. А.П. Винокуровым было установлено, что в наибольшей степени, на прочность смерзания, оказывают влияние влажность горных пород и глубина растепленного слоя на контакте между кусками, при этом прочность смерзания с понижением температуры и увеличением влажности возрастает [7]. Однако на практике для условий многих месторождений характерна изменчивость гранулометрического состава пород, влажность пород обычно изменяется незначительно, а процесс повторного смерзания мерзлых взорванных пород имеет свои особенности в разные периоды года. Весенне-летний период характеризуется нарастающими положительными температурами окружающего воздуха и интенсивным выделением влаги на поверхности кусков взорванного мерзлого массива за счет солнечной инсоляции. Для осенне-зимнего периода характерны тепловая инерция массива, накопленная летом и низкие отрицательные температуры окружающего воздуха, что в свою очередь замедляет процесс смерзания взорванной горной массы [8]. Поэтому целью исследований было установление взаимосвязей прочности повторного смерзания с температурой пород, толщиной растепленного слоя и усилием нормального давления между кусками в условиях постоянной влажности и изменчивости гранулометрического состава. Метод исследования – эксперимент. Объект исследования – вскрышные породы Кангаласского месторождения бурых углей. Для этой цели была разработана методика лабораторных исследований прочности смерзшихся горных пород на сдвиг в зависимости от их температуры и гранулометрического состава [9].
Методикой исследований предусматривалось определение прочности смерзания при варьировании параметров основных влияющих факторов: температуры и влажности образцов пород, величины растепленного слоя (контактной зоны смораживания), нормального давления между образцами и плотности упаковки. В процессе испытаний производилось смораживание мерзлых образцов горных пород, поверхности которых по плоскости смерзания предварительно подвергались искусственной тепловой обработке при температуре 90–100 °С, с расстояния 0,1 м и выдержкой примерно 10 сек., чем создавалась имитация разогрева и оттаивания поверхностного слоя кусков породы при взрыве в натурных условиях. При этом фиксировалась глубина протаявшего слоя. Влажность образцов, была принята постоянной и составляла 15 %, что соответствовало средней влажности пород Кангаласского месторождения.
Для оценки влияния плотности упаковки на прочность смерзшихся пород на сдвиг испытания проводились на образцах, подготовленных без уплотнения и с уплотнением. Объемный вес образцов без уплотнения составлял 1,6 г/см3, образцов с уплотнением – 1,8 г/см3. В связи с тем, что усилие нормального давления между кусками отбитой взрывом породы по глубине развала различно, эксперименты проводились при 3-х усилиях давления. Первое усилие N1 соответствовало условиям на глубине развала 1 м, второе N2 – на глубине 12 м и третье N3 – на глубине 20 м (табл. 1). Нагружение образцов нормальным давлением к плоскости смерзания осуществлялось специальным приспособлением.
Таблица 1
Расчетные усилия нормального давления между образцами
|
Подготовка образца |
Усилие нормального давления, кН |
||
|
N1 |
N2 |
N3 |
|
|
Без уплотнения |
0,039 |
0,471 |
0,785 |
|
С уплотнением |
0,044 |
0,53 |
0,883 |
Таблица 2
Прочность смерзания образцов, подготовленных без уплотнения
|
Гран. состав образцов, мм |
Прочность смерзания, МПа |
||||||||
|
при tсм –5 °С |
при tсм –10 °С |
при tсм –20 °С |
|||||||
|
при N1 |
при N2 |
при N3 |
при N1 |
при N2 |
при N3 |
при N1 |
при N2 |
при N3 |
|
|
0,2–0,1 |
0,42 |
0,58 |
0,69 |
0,41 |
0,41 |
1,03 |
0,25 |
0,1 |
0,15 |
|
0,5–0,2 |
0,55 |
0,82 |
0,89 |
0,11 |
0,35 |
0,67 |
0,14 |
0,12 |
0,1 |
|
1–0,5 |
– |
– |
– |
– |
– |
– |
0,14 |
0,1 |
0,27 |
Таблица 3
Прочность смерзания образцов, подготовленных с уплотнением
|
Гран. состав образцов, мм |
Прочность смерзания, МПа |
||||||||
|
при tсм –5 °С |
при tсм –10 °С |
при tсм –20 °С |
|||||||
|
при N1 |
при N2 |
при N3 |
при N1 |
при N2 |
при N3 |
при N1 |
при N2 |
при N3 |
|
|
0,2–0,1 |
0,55 |
0,66 |
0,53 |
0,39 |
0,54 |
0,81 |
0,19 |
0,09 |
0,16 |
|
0,5–0,2 |
0,46 |
0,65 |
0,60 |
0,12 |
0,31 |
0,56 |
0,07 |
0,08 |
0,09 |
|
1–0,5 |
– |
– |
– |
– |
– |
– |
0,13 |
0,14 |
0,28 |
В результате лабораторных экспериментов были получены данные о прочности смерзания при температурах смораживания (tсм) –5 °С, –10 °С, –20 °С, по гранулометрическим составам 0,2–0,1 мм, 0,5–0,2 мм, 1–0,5 мм, а также при различных усилиях давления между образцами, которые представлены в табл. 2 и 3.
На рис. 1 и 2 представлены зависимости прочности смерзания образцов горных пород с размером фракций 0,2–0,1 мм и 0,5–0,2 мм от температуры смораживания при их влажности 15 %. Установлено, что в диапазоне от –5 °С до –20 °С прочность смерзания образцов горных пород уменьшается с понижением их температуры. При этом прочнее смерзаются породы с наибольшим усилием нормального давления между образцами. Для фракции 0,2–0,1 мм прочность смерзания образцов горных пород, при понижении температуры от –5 °С до –20 °С и в зависимости от усилия нормального давления, уменьшается в 1,5–6 раза для образцов без уплотнения, и для уплотненных образцов в 6,5–8 раза. Для фракции 0,5–0,2 мм прочность смерзания образцов горных пород уменьшается от 4 до 9 раз для образцов без уплотнения и для образцов с уплотнением от 6,5 до 8 раз, в зависимости от усилия нормального давления.
В процессе проведения испытаний образцов было установлено, что максимальные значения прочности смерзания присущи температуре смораживания –10 °С и наибольшему усилию нормального давления, при общей тенденции к ее снижению. В наибольшей степени данная особенность отмечена для образцов породы с размером фракций 0,2–0,1 мм и в меньшей степени, для фракции 0,5–0,2 мм.
Исследованиями установлено, что при температуре –20 °С прочность смерзания с увеличением гранулометрического состава и нормального давления возрастает. При наименьшем усилии нормального давления (N1), соответствующем поверхностному слою развала взорванной породы, прочность смерзания, наоборот, имеет тенденцию к снижению (рис. 3). С ростом величины нормального давления, соответствующей росту глубины развала, и увеличением гранулометрического состава прочность смерзания увеличивается в 1,5–1,8 раза. Причем наиболее интенсивное увеличение прочности смерзания отмечено для условий, соответствующих максимальной принятой для расчета усилия нормального давления глубине развала взорванной породы (величина N3).
а) б)
Рис. 1. Зависимость прочности смерзания образцов горных пород с фракцией 0,2–0,1 мм от температуры смораживания при различных усилиях нормального давления: а) образцы без уплотнения, б) образцы с уплотнением
а) б)
Рис. 2. Зависимость прочности смерзания образцов горных пород с фракцией 0,5–0,2 мм от температуры смораживания при различных усилиях нормального давления: а) образцы без уплотнения, б) образцы с уплотнением
а) б)
Рис. 3. Зависимость прочности смерзания от гранулометрического состава образцов: а) образцы без уплотнения, б) образцы с уплотнением
Таблица 4
Результаты определения глубины растепления и прочности смерзания
|
Показатели |
Образцы без уплотнения |
Образцы с уплотнением |
|||||
|
Фракция 0,2–0,1 мм |
Температура смораживания, град |
–5 |
–10 |
–20 |
–5 |
–10 |
–20 |
|
Глубина растепления, мм |
1,98 |
1,47 |
1,11 |
1,69 |
1,24 |
1,03 |
|
|
Прочность смерзания, МПа |
0,56 |
0,62 |
0,17 |
0,58 |
0,58 |
0,15 |
|
|
Фракция 0,5–0,2 мм |
Температура смораживания, град |
–5 |
–10 |
–20 |
–5 |
–10 |
–20 |
|
Глубина растепления, мм |
1,79 |
1,33 |
0,83 |
1,50 |
1,33 |
0,78 |
|
|
Прочность смерзания, МПА |
0,75 |
0,38 |
0,12 |
0,57 |
0,38 |
0,08 |
|
а) б)
Рис. 4. Взаимосвязь глубины растепленного слоя и прочности смерзания от температуры смораживания образцов (фракция 0,2–0,1 мм): а) образцы без уплотнения, б) образцы с уплотнением
а) б)
Рис. 5. Взаимосвязь глубины растепленного слоя и прочности смерзания от температуры смораживания образцов (фракция 0,5–0,2 мм): а) образцы без уплотнения, б) образцы с уплотнением
В табл. 4 представлены результаты лабораторных экспериментов по определению глубины растепления и прочности смерзания для различных температур, а на рис. 4 и 5 – графики установленных экспериментами взаимосвязей между указанными параметрами.
Как видно из графиков, с понижением температуры уменьшается глубина растепленного слоя и соответственно уменьшается прочность смерзания. Связано это с тем, что при одном и том же времени теплового воздействия поверхности смерзания образцов с более низкой температурой оттаивают в меньшей степени, соответственно, меньше и величина растепленного слоя. При этом толщина растепленного слоя у образцов, подготовленных без предварительного уплотнения, больше.
Выполненными натурными наблюдениями на разрезе «Кангаласский» было установлено, что при одной и той же отрицательной температуре породы в забое драглайна снижение производительности экскаватора происходит в наибольшей степени в весенний период, что связано с интенсивным выделением влаги на поверхности кусков взорванного мерзлого массива за счет инсоляции. Результаты проведенных исследований помогают более полно раскрыть механизм повторного смерзания взорванной горной массы на месторождениях криолитозоны.