Научный журнал
Успехи современного естествознания
ISSN 1681-7494
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,831

ОЦЕНКА ОТНОСИТЕЛЬНОГО ПОКАЗАТЕЛЯ ТРУДНОСТИ ЭКСКАВАЦИИ ВЗОРВАННОГО МАССИВА В УСЛОВИЯХ КРИОЛИТОЗОНЫ

Алькова Е.Л. 1 Панишев С.В. 1 Максимов М.С. 1
1 Институт горного дела Севера им. Н.В. Черского СО РАН
В статье представлены результаты экспериментальных исследований прочностных свойств многолетнемерзлых пород применительно к оценке трудности выемки взорванного смерзающегося массива. Объективная оценка основных характеристик разрушенного массива позволяет корректно подобрать вскрышное оборудование и обосновать режим его работы. Мерзлые породы обладают значительной прочностью, подготовка их к выемке ведется с помощью буровзрывных работ. Выделяемое при взрыве тепло ведет к изменению свойств многолетнемерзлых пород. В полевых условиях очень сложно получить сдвиговые характеристики смерзающихся вскрышных пород в развале. Ограниченный выбор оборудования и методик для таких исследований подтолкнул авторов к изготовлению собственного лабораторного стенда и искусственно приготовленных образцов, которые имитируют структуру смерзающегося взорванного массива, а также разработке уникальной методики, которая в данных условиях позволяет получать достоверные показатели прочности на срез. Именно прочность на срез является основной характеристикой для расчета относительного показателя трудности экскавации, предложенного академиком Ржевским В.В. Выявлены основные факторы, влияющие на повторное смерзание уже разрушенного массива. Дана оценка полученных зависимостей основных механических и прочностных характеристик взорванного массива при различных варьируемых параметрах гранулометрического состава, температуры и влажности. На основе этих данных произведен расчет показателя трудности экскавации. Установлено, что смерзшаяся взорванная горная масса обладает как свойствами нарушенной среды, так и свойствами однородного массива. Поэтому расчет показателя трудности экскавации по формуле для разрушенного массива применительно к взорванным многолетнемерзлым породам не корректен, что приводит к занижению данного показателя и, как следствие, неверному выбору выемочного оборудования.
смерзание
трудность экскавации
вскрышные породы
прочность на срез (сдвиг)
1. Цирель С.В., Гапонов Ю.С., Павлович А.А. Гранулометрический состав, сдвиговая прочность разрушенных горных пород и их влияние на устойчивость отвалов // Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал). Отдельная статья (специальный выпуск). М.: Издательство «Горная книга», 2013. № 12. 12 с.
2. Гапонов Ю.С. Геомеханическое обоснование устойчивости породных отвалов с учетом влияния характеристик разрушенной горной массы: автореф. дис. … канд. тех. наук. Санкт-Петербург, 2015. 20 с.
3. Недорезов И.А. Прогнозирование трудности разработки грунтов землеройными машинами // Строительные и дорожные машины. 2008. № 2. С. 43–44.
4. Васильев С.И., Ереско С.П. Исследование прочностных характеристик сезонно-мерзлых грунтов Сибири и Севера // Системы. Методы. Технологии. 2010. № 1 (5). С. 93–99.
5. Шемякин С.А., Иванченко С.Н., мамаев Ю.А. Ведение открытых горных работ на основе совершенствования выемки пород. М.: Издательство «Горная книга», 2008. 315 с.
6. Liu J., Lv P., Cui Y., Liu J. Experimental study on direct shear behavior of frozen soil-concrete interface, Cold Regions Sci. and Tech. 2014. Vol. 104–105. P. 1–6.
7. Lu P. and Liu J. An experimental study on direct shear tests of frozen soil-concrete interface TiedaoXuebao, J. of the China Railway Society. 2015. Vol. 37 (2). P. 106–110.
8. Anvari S.M., Shooshpasha I., Kutanaei S.S. Effect of granulated rubber on shear strength of fine-grained sand. Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering. 2017. Vol. 9 (5). P. 936–944.
9. Панишев С.В., Ермаков С.А., Алькова Е.Л., Максимов М.С., Козлов Д.С. Способ изготовления смерзшихся образцов, структурно сопоставимых с взорванным массивом горных пород // Патент на изобретение RU 2629610 C, 30.08.2017. Заявка № 2016121595 от 31.05.2016.
10. Панишев С.В., Алькова Е.Л., Максимов М.С. К оценке показателя трудности экскавации смерзающегося взорванного массива горных пород // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. 2019. № 3. С. 31–36.
11. Панишев С.В., Максимов М.С., Алькова Е.Л. Исследование прочностных характеристик мерзлых образцов однородной и нарушенной структуры // Успехи современного естествознания. 2018. № 11 (2). С. 383–388.
12. Ржевский В.В. Процессы открытых горных работ. М.: Недра, 1978. 541 с.

Горнодобывающая промышленность является одной из ведущих отраслей России, и наибольший вклад в общий объём добычи полезных ископаемых вносит Дальний Восток, и в частности Якутия. Якутия – район освоения месторождений в суровом климате, где горные работы ведутся при низких температурах. Ввиду значительной прочности мерзлых пород, больших объемов горных работ подготовка их к выемке на многих предприятиях республики ведется буровзрывным способом. Но и это не упрощает добычу полезного ископаемого в таких условиях, так как после буровзрывной подготовки происходит смерзание горной массы уже в развале, что значительно усложняет процесс экскавации вплоть до ее невозможности по силовым характеристикам оборудования.

Выбор выемочного оборудования основывается на прочностных характеристиках подготовленного буровзрывным способом массива. Для эффективной работы экскаваторов, в условиях смерзания породы после проведенных буровзрывных работ, выбор типа и модели выемочного оборудования необходимо осуществлять с учетом всех особенностей смерзшегося взорванного массива.

Проблемами ведения горных работ в условиях многолетнемерзлых грунтов занимаются ученые разных стран. Исследуются прочностные характеристики пород для определения устойчивости бортов карьеров и отвалов [1; 2], для усовершенствования рабочего органа выемочного оборудования [3–5], а также ведутся исследования прочностных характеристик грунтов в области строительства [6–8]. В ИГДС им. Н.В. Черского СО РАН в лаборатории «Открытые горные работы» много лет изучается проблема смерзания горной массы после взрыва, так как эта проблема актуальна при разработке многолетнемерзлых пород. Для изучения прочности смерзшихся пород на срез в лабораторных условиях был сконструирован стенд, представленный на рис. 1. Стенд позволяет выполнять исследования на образцах большого размера. Способ изготовления уникального образца, который имитирует структуру смерзающегося взорванного массива, защищен патентом 2629610 [9].

alkova1.tif

Рис. 1. Натурный стенд исследования образцов на срез

Данные, полученные в ходе испытаний на сконструированном стенде, позволяют судить о прочности на срез исследуемых мерзлых пород, так как этот показатель один из основных показателей прочности пород.

Цель исследования: на основе выявленных свойств смерзшегося после буровзрывных работ массива оценить изменение трудности его экскавации.

Материалы и методы исследования

Для определения прочности на срез подготавливают образец, который имитирует структуру взорванного массива многолетнемерзлых пород. Образец помещают в срезную коробку, состоящую из неподвижной (1) и подвижной (2) частей (рис. 1). Диаметр срезной коробки составляет 350 мм, высота – 175 мм. С помощью регулировочного винта (3) через динамометр (4) создается вертикальная нагрузка на образец. Горизонтальная нагрузка создается домкратом (5) с помощью насоса (6). Регистрация давления в системе осуществляется в Барах по цифровому манометру МА 100 Ц (7), который подключен к измерительному комплексу «Мера» (8). Обработка полученных результатов производится программой DigitalMaster.

Прочностные характеристики пород изменяются в зависимости от глубины залегания, так как давление верхней толщи горной массы уменьшает наличие пор внутри развала, что приводит к его упрочнению. Особенностью многолетнемерзлых пород является наличие замерзшей воды и низкая температура, что также сказывается на прочность пород. Еще одна составляющая, которую необходимо учитывать при исследовании прочностных характеристик, это гранулометрический состав взорванной горной массы.

Поэтому для изготовления образцов и проведения исследований были выбраны следующие характеристики взорванной горной массы, применительно к условиям эксплуатации Кангаласского буроугольного месторождения (табл. 1).

Таблица 1

Основные характеристики изготовляемых образцов

 

Наименование характеристики

Значения

1.

Температура смерзания (t), град.

-5

-10

-15

2.

Влажность (w), %

5

10

15

3.

Гран состав (dcр.), мм

10

20

40

50

4.

Нагрузка на образец при формировании (P), МПа

Без уплотнения

1,6

3,1

 

Результаты исследования и их обсуждение

Результаты проведенных лабораторных испытаний образцов, имитирующих разрушенный смерзающийся массив, показали изменение основных прочностных характеристик и физико-механических свойств пород, при различных влажностных и температурных состояниях взорванного массива. Выбранные для исследования характеристики основаны на многолетнем опыте и натурных исследованиях вскрышных пород непосредственно на Кангаласском буроугольном месторождении. Так, например, на глубине развала 10 м породы испытывают нагрузку верхней толщи разрушенных пород в 1,6 Мпа, с увеличением глубины до 20 м эта нагрузка составляет 3,1 МПа.

Чем мельче разрушена порода, тем однороднее будет развал на глубине. При исследовании образцов с включениями среднего размера 40 мм на срезе отчетливо видны замороженные «кубики» (рис. 2). При испытаниях образцов с меньшим размером включений, а также с увеличением давления на образец до 3,1 МПа характер среза уже иной, более похож на однородный.

Ранее опубликованные исследования [10; 11] демонстрировали взаимосвязь прочности образца с влажностью породы и температурой смерзания. Причем существеннее влияет на прочность смороженного образца влажность, следующей по значимости является температура замораживания породы в образце.

В данной статье представлены результаты исследований, выполненных на лабораторном стенде для образцов породы в диапазоне влажности от 10 до 15 % и температуры -5 – -15 °С. Влажность породы в 5 % в данных исследованиях не рассматривалась, так как образцы не поддавались формированию даже при замораживании образца при температуре -15 °С. Данный факт позволил определить критическую влажность вскрышных пород Кангаласского месторождения, выше которой начинается процесс смерзания разрушенной взрывом горной массы, и влажность, при которой повторного смерзания породы уже не происходит.

alkova2.tif

Рис. 2. Иллюстрация поверхности среза однородного образца и образца с включениями

По полученным данным, в ходе лабораторных испытаний были определены угол внутреннего трения пород и структурное сцепление. На рис. 3 представлены графики изменения угла внутреннего трения и структурного сцепления при различных значениях влажности породы в образце, температуры смерзания и размера включенных в образец смороженных кусков.

Установлено, что угол внутреннего трения снижается, а структурное сцепление увеличивается в 2 раза (по сравнению с однородной структурой) при включении в образец наполнителя диаметром 20–40 мм. При включении в образец наполнителя размером 50 мм происходит снижение структурного сцепления в 1,3 раза, а угол внутреннего трения снижается в 1,15 раза при влажности породы 15 % и температуре смерзания -15 °С.

Прочность на срез при различных условиях проведения эксперимента представлена на рис. 4.

alkova3a.tif alkova3b.tif

Рис. 3. Изменения физико-механических характеристик смерзающихся пород в зависимости от кусковатости взорванного массива

alkova4a.tif

а

 

 

БУ

1,6 МПа

3,1 МПа

50х50

0,64

0,91

1,36

40х40

0,85

1,22

1,67

20х20

0,89

1,13

1,74

10х10

0,61

1,2

1,76

alkova4b.tif

б

 

 

бу

1,6 МПа

3,1 МПа

40х40

0,22

0,29

0,4

20х20

0,22

0,25

0,34

10х10

0,11

0,26

0,43

Рис. 4. Изменение прочности образца при различном диаметре включений и уплотнении: а – при температуре смерзания -15 °С и влажности 15 %; б – при температуре смерзания -5 °С и влажности 10 %

Для полученных значений предела прочности на срез на образцах нарушенной структуры был применен подход, предложенный академиком Ржевским В.В. [12], который позволил рассчитать показатель трудности экскавации с использованием формулы нарушенного массива. Показано, что основное влияние на показатель трудности экскавации смерзшейся взорванной горной массы оказывают влажность и гранулометрический состав (рис. 5).

Проведенные экспериментальные исследования позволили констатировать тот факт, что разрушенные породы, находящиеся в развале на глубине 20 метров, становятся по прочности сравнимы с породами изначального, не разрушенного буровзрывными работами массива при различных состояниях. Так, например, прочность на срез разрушенных смерзающихся пород влажностью 15 % и температурой -15 °С составляет 1,67–1,76 МПа при различной кусковатости массива, что соответствует прочности пород не разрушенного массива при тех же показателях состояния породы на глубине 10 метров.

Полученные расчетным путем значения показателя трудности экскавации по формулам, предложенным академиком Ржевским В.В. для выемки из массива и для выемки разрушенных пород, представлены в табл. 2.

alkova5a.tif alkova5b.tif

а б

alkova5c.tif alkova5d.tif

в г

Рис. 5. Влияние различных состояний породы на трудность выемки взорванного массива: а – при различной влажности; б – при изменении температуры породы; в – при изменениях диаметра куска, удельной нагрузки при влажности 15 % и температуре смерзания -15 °С; г – среднего диаметра куска и удельной нагрузки при влажности 10 % и температуре смерзания -5 °С

Таблица 2

Значения показателя трудности выемки взорванного массива при различных его состояниях

W = 15 %, t = -15 °С

Наименование

Однородная структура

Р = 1,6 МПа

Нарушенная структура, нагрузка Р = 3,1 МПа

50 мм

40 мм

20 мм

10 мм

Прочности на срез, МПа

1,65

1,36

1,67

1,74

1,76

Показатель трудности экскавации

10,81

alkov01.wmf

alkov02.wmf

alkov03.wmf

alkov04.wmf

W = 10 %, t = -15 °С

Прочности на срез, МПа

0,75

 

0,41

0,62

0,79

Показатель трудности экскавации

5,18

 

alkov05.wmf

alkov06.wmf

alkov07.wmf

Примечание: в числителе значения, рассчитанные по формуле выемки разрушенного массива, в знаменателе – по формуле выемки из однородного массива.

Выводы

Экспериментальными исследованиями искусственно созданных образцов было получено большое количество значений физико-механических и прочностных характеристик смерзающегося разрыхленного буровзрывными работами массива. Эти данные впоследствии послужат основой для разработки специальной методики оценки показателя трудности экскавации разрушенного массива в условиях криолитозоны. Необходимость в разработке методики продиктована тем, что расчетные значения данного показателя, определенные по методике академика Ржевского В.В., не отражают достоверно состояние такой среды. Поэтому, только учитывая все различные изменения физико-механического состояния многолетнемерзлых пород в развале, можно корректно определить показатель трудности экскавации и, как следствие, верно выбрать выемочное оборудование и обосновать режим его работы.


Библиографическая ссылка

Алькова Е.Л., Панишев С.В., Максимов М.С. ОЦЕНКА ОТНОСИТЕЛЬНОГО ПОКАЗАТЕЛЯ ТРУДНОСТИ ЭКСКАВАЦИИ ВЗОРВАННОГО МАССИВА В УСЛОВИЯХ КРИОЛИТОЗОНЫ // Успехи современного естествознания. – 2020. – № 11. – С. 32-38;
URL: https://natural-sciences.ru/ru/article/view?id=37511 (дата обращения: 01.02.2023).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.685