Scientific journal

Advances in current natural sciences

ISSN 1681-7494

"Перечень" ВАК

ИФ РИНЦ = 0,775

В настоящее время в связи с сокращением минерально-сырьевой базы алмазодобывающим компаниям приходится осуществлять добычу сырья в крайне сложных горно-геологических условиях. К таким условиям можно отнести добычу подкарьерных запасов в АК «АЛРОСА». Объектом исследования в настоящей работе выступали грунты, отобранные со дна карьера «Интернациональный». Разработка кимберлитовой трубки «Интернациональная» открытым способом завершена в 1981 г. на глубине 285 м и с 1999 г. (1, 2 очередь) ведется подземным способом, производительность рудника 500 тыс. т в год. С момента прекращения открытых горных работ поверхность бортов карьера подвергалась выветриванию. В результате образования осыпей уступы карьера сработаны на 90 % [1, с. 42]. В настоящее время, по данным АК «АЛРОСА», дно карьера «Интернациональный» представляет собой водонасыщенный массив грунтов мощностью 45 м с наличием на поверхности техногенного озера.

Таблица 1

Свойства грунта

Так как при отработке трубки открытым способом вскрытия метегеро-ичерского водоносного комплекса не произошло [2, с. 19], то вода в карьер поступает в основном с атмосферными осадками и весенними паводками. Наличие в карьере «Интернациональный» пульпообразной грунтовой массы и воды представляет существенную опасность для подземной отработки подкарьерных запасов [3, с. 49]. Для обеспечения безопасности ведения горных работ в подземном руднике «Интернациональный», предусмотрен предохранительный рудный целик, оценке состояния которого посвящен ряд работ [4–6].

Целью выполненной работы являлось определение прочностных показателей мерзлых грунтов, отобранных с берегов техногенного озера, образованного на дне отработанного карьера «Интернациональный». Одновременно оценивалась возможность формирования льдопородного предохранительного массива путем искусственного промораживания обводненной грунтовой осыпи, находящейся на дне карьера, при помощи жидкостных замораживающих колонок [7, с. 88].

Для выяснения характера деформирования и разрушения образцов мерзлых горных пород, отобранных с берегов техногенного озера, были проведены исследования их свойств и испытания на одноосное сжатие искусственно изготовленных образцов кубической формы с ребром 100 мм. Общая масса пробы, предоставленной институтом «Якутнипроалмаз» АК «АЛРОСА», составляла около 330 кг.

Предварительно в соответствии с ГОСТ 12536-2014 [8, с. 3] был проведен гранулометрический анализ с разделением исследуемой породы на классы при промывке их водой. По данным анализа в исходной породе содержится 45 % материала крупностью менее 0,1 мм, а доля крупнообломочных частиц (более 10 мм) составляет 35 %. Цвет образцов светло-серый и коричневый, по минералогическим признакам порода относится к алевролитам и мергелям с включением крупнообломочных фракций известняка. Проведенные нами ранее исследования показали [9–11], что вмещающие породы алмазоносных трубок, представленные мергелями и алевролитами, имеют крайне низкую морозостойкость, особенно в водонасыщенном состоянии. Это приводит к дезинтеграции породы и, как следствие, ее осыпанию с поверхности бортов карьера [12, с. 41].

На основании ГОСТ 5180-2015 [13, с. 3–5], ГОСТ 25100-2020 [14], а также используя ускоренный метод определения максимальной плотности [15], были определены свойства исследуемого грунта (табл. 1).

Материалы и методы исследования

Прочность мерзлых грунтов, отобранных со дна карьера «Интернациональный», определяли при одноосном сжатии искусственно изготовленных образцов кубической формы с ребром 100 мм. Влажность грунта соответствовала нижнему и верхнему пределу пластичности, температура испытаний: -3 °C, -5 °C и -10 °C.

Исследуемый грунт просеивали через сито с ячейками 10 мм с целью удаления крупной фракции и высушивали при температуре 105±5 °C до достижения постоянной массы. Сухой грунт разделяли на две группы, добавляли в них дистиллированную воду и в течение 5 мин перемешивали миксером для получения однородной массы с заданной влажностью (16 % и 26 %). Далее, приготовленную грунтовую массу послойно помещали в отсеки металлической кассеты с размерами ячеек 100х100х100 мм, боковые поверхности и дно которой были покрыты фторопластовой лентой для предотвращения примерзания к ним влажного грунта.

Уплотнение грунта в ячейках кассеты осуществляли вручную. Для этого ячейки послойно наполняли грунтом, высотой примерно 2 см, и при помощи вибрационного воздействия (постукиванием) добивались его уплотнения в ячейках кассеты под собственным весом до того момента, пока грунт переставал утрамбовываться. После окончания укладки и уплотнения грунта в металлической кассете верхнюю часть образцов (излишки) срезали металлическим шпателем.

Кассеты с уложенным грунтом оборачивали в несколько слоев полиэтиленовой пленкой для предотвращения потерь влаги, снабжали термодатчиком, располагающимся в центре образца, и помещали в морозильную камеру Tira TCC 7160. В морозильной камере образцы выдерживали до достижения ими заданной температуры (-3 °C, -5 °C и -10 °C) и дополнительно выстаивали при ней не менее 6 ч для обеспечения полного замораживания образцов. Время замораживания и выдержки образцов при температуре -10 °C составляло около суток, а при температурах -3 °C и -5 °C – более двух суток.

Замороженные образцы грунта вынимали из морозильной камеры и разбирали в низкотемпературной камере объемом 30 м3 при отрицательных температурах, близких к температурам замораживания. На рис. 1 приведен образец изготовленного мерзлого грунта правильной кубической формы после распалубки кассеты.

При разборе кассеты на полиэтиленовой пленке, применявшейся для предотвращения потерь влаги образцами, а также на изготовленных образцах наблюдался иней и лед. Случаев разрушения мерзлых образцов при разборе кассеты не происходило, что свидетельствует об их полном смерзании даже при минимальной исследуемой влажности (16 %) и небольшой отрицательной температуре -3 °C.

Перед испытанием на гидравлическом прессе изготовленные грунты взвешивали для контроля качества их изготовления и определения объемной плотности. Плотность изготовленных образцов при влажности 16 % составила 2,2 г/см3, а при влажности 26 % –2,08 г/см3.

Прочность на одноосное сжатие искусственно изготовленных кубических образцов мерзлого грунта определяли при помощи гидравлического пресса фирмы Toni Technik серии ToniNORM, обладающего максимальной нагрузкой в 600 kN. Для исключения теплового влияния плит испытательной машины на испытуемые образцы применяли сменные прокладки из стали (150х150х8 мм), которые вместе с замораживаемыми образцами выдерживали в морозильной камере при заданных температурах, а при испытаниях устанавливали между верхней и нижней плоскостью образца.

Рис. 1. Взвешивание образца после распалубки металлической кассеты

Рис. 2. Графики нагружения образцов (W16 %, t = -10 °C)

Таблица 2

Прочность образцов в зависимости от температуры и влажности

Рис. 3. Зависимость прочности мерзлых образцов от температуры при различной влажности

Результаты выполненных исследований по определению прочности мерзлых грунтов, отобранных со дна карьера «Интернациональный», приведены в табл. 2 и на рис. 2.

На рис. 3 приведен график зависимости прочности при одноосном сжатии мерзлых образцов исследуемого грунта от температуры и различной влажности. Точками обозначены данные, полученные в ходе исследования, и добавлены линейные тренды. Проведенные испытания показали, что прочность мерзлых образцов исследуемого грунта увеличивается с понижением температуры.

Ввиду отсутствия в породе легкорастворимых солей и наличия незначительного количества среднерастворимых солей, а именно гипса (1,12 %), замерзание грунта происходит даже при минимальной отрицательной температуре и влажности. В мерзлом состоянии при температуре -3 °C и влажности 16 % средняя прочность образцов грунта составляет 2,34 МПа, а при влажности 26 % – 2,93 МПа. При температуре -5 °C средняя (по двум влажностям) прочность мерзлых грунтов составляет 4 МПа. При дальнейшем понижении температуры до -10 °C прочность мерзлых образцов увеличивается на 70 % и достигает 7 МПа.

При испытаниях на прессе, под нагрузкой, первоначальная кубическая форма образцов деформируется, значительно изменяются их геометрические размеры, но полного разрушения образцов на отдельные составляющие не происходит (рис. 4). Стоит отметить, что при испытаниях пород влажностью 26 % по нижней кромке образца выступала влага, чего не наблюдалось при испытаниях образцов с влажностью 16 % (рис. 5).

Рис. 4. Характерная форма разрушения образцов при сжатии на прессе (W = 26 %)

Рис. 5. Выступившая влага при испытаниях образцов (W = 26 %)

Заключение

Проведенными исследованиями было установлено, что грунт, отобранный с берегов техногенного озера, образованного на дне отработанного карьера «Интернациональный», относится к незасоленным грунтам, в среднем на 35 % состоит из крупнообломочных фракций и 45 % частиц размером менее 0,1 мм, что соответствует дресвяно-щебенистому грунту с суглинистым заполнителем.

На искусственно изготовленных образцах определена прочность на одноосное сжатие мерзлых грунтов со дна карьера «Интернациональный» в зависимости от температуры и влажности. Согласно полученным данным при температуре ниже -7 °C исследованные грунты переходят в разряд малопрочных скальных грунтов (Rc > 5 МПа).

Лабораторные исследования проводились на оборудовании ЦКП ФИЦ ЯНЦ СО РАН (грант № 13.ЦКП.21.0016).