CC BY
43
--© С.А. Козырев, И.А. Аленичев, 2015
УЛК 622.235: 622.023
С.А. Козырев, И.А. Аленичев
ВЛИЯНИЕ ОБВОДНЕННОСТИ НА ПРОЧНОСТНЫЕ И ДИНАМИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ АПАТИТ-НЕФЕЛИНОВЫХ РУД КОАШВИНСКОГО МЕСТОРОЖДЕНИЯ
Получены значения скоростей продольных и поперечных волн для водо-насышенных апатит-нефелиновых руд с различным содержанием Р2О5. Выявлены закономерности увеличения скоростей упругих волн с ростом обводненности. Рассчитаны динамический модуль упругости и коэффициент Пуассона. Получена закономерность снижения прочностных характеристик для сухих и водонасышенных образцов апатит-нефелиновых руд. Ключевые слова: обводненность, прочностные характеристики, динамические характеристики, динамический коэффициент Пуассона, коэффициент открытой пористости.
В последние годы резко осложнились горно-геологические условия отработки Хибинских апатит-нефелиновых месторождений в частности Коашвинского месторождения АО «Апатит». С понижением горных работ увеличился объем поступающих дренажных вод, а с ним и выход негабаритных фракций на рудных горизонтах карьера [1]. Зачастую при производстве БВР не учитываются такие моменты как степень обводненности, содержание Р205 в отбиваемой руде, а используются усредненные параметры для всех условий, что ведет к разным конечным результатам. Поэтому необходимо определить, как обводненность влияет на динамические и прочностные характеристики апатит-нефелиновых руд с различным содержанием Р205 с целью дальнейшего улучшения качества взрывных работ на карьере.
Для проведения исследований было отобрано 4 вида апатит-нефелиновой руды на дне карьера в пределах 500 м:
1. сетчато-полосчатая апатит-нефелиновая, бедная руда. Апатит присутствует в качестве цемента и тонких прослоев, содержание Р2О5 - 5-7 %.
2. полосчатая апатит-нефелиновая руда тонко-мелкозернистая, содержание Р2О5 - 13-15 %.
3. пятнисто-полосчатая апатит-нефелиновая руда мелкозернистая, плотная, содержание Р2О5 - 23-25 %.
4. богатая крупнозернистая апатит-нефелиновая руда, содержание Р205>30 %.
Анализ качества проведен на нейтронно-активационной установке «Восточного» рудника. Из каждого вида руды путем распиливания были получены цилиндры размерами примерно 200^200 мм из которых на установке «Бур № 9» выбуривали керны, используя алмазную коронку внутренним диаметром 45 мм. Керновые пробы распиливали с примерным отношением высоты к диаметру равным двум (Ь/6=2) на станках с алмазными пилами так, чтобы торцевые поверхности были строго параллельны друг другу.
Испытания проводили в два этапа. Первым было определение скоростей упругих колебаний и расчет динамических характеристик в образцах с естественной влажностью, и в образцах подвергнутых водонасыщению в течение 7 дней (максимальный промежуток времени между взрывами на карьерах А0 «Апатит»).
До начала испытаний были определены плотности (методом гидростатического взвешивания) и значения коэффициента открытой пористости для каждого вида руды (рис. 1, 2). Установлено, что при увеличении содержания Р205, увеличивается плотность породы. Коэффициент открытой пористости растет до значения 0,93 при содержании Р205 равном 24 %, далее пористость снижается.
Исследования динамических характеристик проводились в со-
Рис. 2. Зависимость коэффициента от- ответствии со стандар-крытой пористости от содержания Р205 тами, ГОСТ 23829-79,
Рис. 1. Изменение плотности в зависимости от содержания Р205 в породе
ГОСТ 21153.7-75 [4, 7, 8] которые распространяются на твердые горные породы с коэффициентом крепости по Протодьяконову f не менее 0,5 (прочность при одноосном сжатии не менее 50-80 кг/см2) и устанавливают основные положения по отбору проб, перечень основного оборудования и общие требования к методам физических испытаний.
Для получения более надежных данных использовали несколько приборов для определения продольных и поперечных волн:
1) Ультразвуковой дефектоскоп УКБ-1М.
2) Импульсный ультразвуковой дефектоскоп STARMANS DIO 1000 PA.
Результаты скоростей измерений усредняли и вычисляли динамический модуль упругости (Ед) и динамический коэффициент Пуассона (ц) по зависимостям, представленным в работе [2, 3].
Результаты испытаний отражены в табл. 1, 2.
По результатам полученных данных строили зависимости скоростей прохождения упругих волн и коэффициента Пуассона от содержания P2O5 в сухих и водонасыщенных образцах апатит-нефелиновых руд (рис. 3,4 соответственно).
Как видно из рисунка 3 скорости прохождения продольных и поперечных волн в сухих образцах породы уменьшаются с увеличением содержания P2O5 на всем протяжении, до того момента, как содержание P2O5 достигает 24 %. При визуальном осмотре образцов отмечаем, что в основном они представлены мелкозернистым апатитом (от сетчатого до пятнисто-полосчатого). После график меняет направление и в образцах с содержанием примерно 30 % скорости продольных волн по своим значениям становятся схожи со скоростями в образцах с содержанием апатита примерно 5-7 %. В данных образцах апатит присутствует в виде крупных зерен.
При насыщении водой скорость прохождения продольных волн увеличивается во всех представленных типах руды. Особо отчетливый скачок скорости наблюдался в образцах пятнисто-полосчатой
Таблица 1
Результаты испытаний образцов рулы с естественной влажностью
Содержание Р205 VP, км/с Vs, км/с Ed, ГПа
5-7 5,465 3,25 0,226 74,93
13-15 5,261 3,105 0,232 70,28
23-25 5,005 2,927 0,239 63,60
>30 5,463 3,13 0,255 76,48
Таблица 2
Результаты испытаний водонасышенных образцов руды
Содержание Р205 VP, км/с Vs, км/с № Бё, ГПа
5-7 5,86 3,195 0,288 76,09
13-15 5,67 3,065 0,293 71,86
23-25 6,062 2,84 0,359 65,62
>30 5,95 3,055 0,320 76,64
Рис. 3. Зависимость скоростей прохождения упругих волн от содержания Р205 в сухих и водона-сышенных образцах апатит-нефелиновых руд
Рис. 4. Зависимость коэффициента Пуассона от содержания Р205 в сухих и водона-сышенных образцах апатит-нефелиновых руд
руды. Максимальная разница в скорости прохождения волны по сравнению с сухими образцами составила 1,057 км/с. Как известно скорость прохождения продольной волны в воде 1,5 км/с, поэтому вода, заполняя поры, усиливает сигнал прохождения волны настолько больше, насколько пористее тот или иной образец. Однако скорость поперечных волн снизилась, это связано с тем, что вода не пропускает поперечные волны.
Таким образом, напрашивается вывод о том, что при увеличении размеров зерен апатита скорость прохождения волн будет увеличиваться, это объясняется тем, что мелкозернистая структура гораздо сильнее замедляет (поглощает) прохождение упругих ко-
лебаний. При водонасыщении значения продольных скоростей увеличиваются прямо пропорционально значениям коэффициента открытой пористости.
Повышение содержания P2O5 приводит к росту коэффициента Пуассона (рис. 4). В водонасыщенном состоянии коэффициент Пуассона увеличивается во всех видах руды и ведет себя в соответствии с изменением коэффициента открытой пористости.
Увеличение содержания P2O5 в руде приводит к снижению модуля упругости в сухих образцах, а при водонасыщении модуль упругости практически не изменяется, и сопоставим с сухими образцами.
Второй этап заключался в определении прочностных характеристик водонасыщенных апатит-нефелиновых руд с различным содержанием P2O5. Для этого, из тех же образцов были изготовлены цилиндры примерным отношением высоты к диаметру равным (h/d=1) (45х45 мм) с отшлифовкой торцов на шлифовальном станке с целью придания параллельности торцевым поверхностям образца. Половина образцов, так же как и при определении прохождения упругих волн были подвержены замачиванию в течение 7 дней. Затем были проведены их испытания на одноосное сжатие (измерение максимального значения разрушающего давления, приложенного к плоским торцам правильного цилиндрического образца через плоские стальные плиты) и растяжение (измерение максимального значения разрушающего давления методом диаметрального сжатия) на установке MTS 816 Rock Test System. Испытания проводились в соответствии со стандартами, ГОСТ 21153.0-75, ГОСТ 21153.2-84, ГОСТ 21153.3-85 [4, 5, 6].
Результаты проведенных испытаний отражены в таблице 3, а так же построены графики зависимостей пределов прочности на сжатие и растяжение от содержания P2O5 для сухих и водонасы-щенных образцов (рис. 5, 6).
Таблица 3
Результаты испытаний на сжатие и растяжение сухих и водонасышенных образцов руды
Содержание P2O5 Сухие Водонасышенные
осж, МПа орас, МПа осж, МПа орас, МПа
5-7 123,69 13,95 118,26 12,43
13-15 101,63 10,25 99,53 9,93
23-25 102,00 10,19 97,44 9,67
>30 61,27 9,17 56,63 7,72
130
я^.МПа 1
\\ \ \ вртвишункпа
2
\
\\
' |г п и л (р гднп*рнигт:1я руда \\
VI \\
Сухие — — Влажные
Рис. 5. Зависимость предела прочности на сжатие от содержания Р2О5
По данным графикам отчетливо можно судить о снижении прочности на сжатие и растяжение в сухих и водонасышенных образцах с увеличением содержания Р205. Прочность снижается равномерно во всех образцах до уровня, при котором процентное содержание Р205 примерно соответствует 13-14 %. Л алее график выполаживает-ся и значительных из-Рис. 6. Зависимость предела прочности на менений в пределах растяжение от содержания Р2О5 прочности не наблю-
дается, продолжается это до тех пор, пока содержание Р205 не достигнет 23-24 %, после чего продолжается нисходяшее движение прочностей. Поскольку содержание апатита и размер его зерен влияют на прочностные характеристики, логично предположить, что начиная с уровня Р205 равным 24 %, апатит становится крупнозернистым и неспособен выдержать больших нагрузок, вероятно, это связано с тем, что крупнозернистый апатит имеет менее прочную связь зерен, чем мелкозернистый.
Снижение значений прочностей в водонасышенных образцах (рис. 5,6, кривая 2) можно объяснить, используя заключения и выводы, сделанные в работе [9]. Прочность пород на одноосное сжатие и отрыв снижается с ростом диэлектрической проницаемости насышаюшей жидкости. Высокая диэлектрическая постоянная жидкости (воды) означает, что жидкость имеет большой дипольный момент, что ведет к сильной адсорбции жидкости полярными частицами, сцепление между частицами в присутствии таких жидкостей ослабляется и, следовательно, напряжение разрушения снижается.
15 14 13
„МПв
\ 1
12 11 10 9 \ \
2
N Ч
7 6
-Сухие - - Влажные Р-О^»»
5 10 15 20 25 30 35
В нашем случае адсорбция воды на поверхности частиц нарушает связность зерен, что создает условия для скольжения кристаллов относительно друг друга и снижения прочностных характеристик породы.
Выводы
По результатам проведенных исследований установлено:
— при увеличении содержания Р205, увеличивается плотность руды.
— с ростом содержания Р205 до уровня 24 % коэффициент открытой пористости повышается, далее пористость снижается.
— с увеличением размеров зерен апатита скорость прохождения волн будет увеличиваться.
— при водонасыщении значения продольных скоростей увеличиваются прямо пропорционально значениям коэффициента открытой пористости.
— увеличение содержания Р205 приводит к росту коэффициента Пуассона. В водонасыщенном состоянии коэффициент Пуассона увеличивается во всех типах руд на 25-30 %.
— увеличение содержания Р205 в руде приводит к снижению модуля упругости в сухих образцах, а при водонасыщении модуль упругости практически не изменяется, и сопоставим с сухими образцами.
— прочностные характеристики снижаются с увеличением содержания Р205.
— начиная с содержания Р205 равного 24 % и выше, апатит становится крупнозернистым и неспособен выдержать больших нагрузок.
— адсорбция воды на поверхности частиц нарушает связность зерен, что создает условия для скольжения их относительно друг друга и что приводит к еще большему снижению прочностных характеристик руды по сравнению с сухим состоянием.
- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Козырев С.А., Аленичев И.А. К вопросу влияния гидрогеологических условий Коашвинского месторождения ОАО «Апатит» на степень обводненности горных пород // Мониторинг природных и техногенных процессов при ведении горных работ. — Апатиты; СПб.:«Реноме», 2013. — С.356-362.
2. Турчанинов И.А., Воларович М.П. и др. Атлас физических свойств минералов Хибинских месторождений. Изд-во «Наука», Ленингр. Отд., Л., — 1975. — С.71.
3. Бельтюков Н.Ё., Евсеев A.B. Сопоставление упругих свойств горных пород // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Геология Нефтегазовое и горное дело. — 2010 — №5. — С.82-85.
4. ГОСТ 21153.0-75. Породы горные. Отбор проб и общие требования к методам физических испытаний. Введ. c 01.07.1975 до 01.07.1986. М., Изд-во стандартов, 3 с., 1975.
5. ГОСТ 21153.2-84. Породы горные. Методы определения предела прочности при одноосном сжатии. Взамен ГОСТ 21153.2-75. Введ с 19.06.84 до 01.07.91. М., Изд-во стандартов, 8 с., 1984.
6. ГОСТ 21153.3-85. Породы горные. Методы определения предела прочности при одноосном растяжении. Взамен ГОСТ 21153.3-75, ГОСТ 21153.4-75. Введ с 01.01.87 до 01.01.92. М., Изд-во стандартов, 18 с., 1987.
7. ГОСТ 21153.7-75. Породы горные. Метод определения скоростей распространения упругих продольных и поперечных волн. Введ. С 01.07.1976 до 01.07.1986. М., Изд-во стандартов, 8 с., 1976.
8. Горбацевич Ф.Ф. Определение скорости распределения продольных и поперечных колебаний в образцах горных пород // Методические рекомендации. — Апатиты: КНЦ РАН, 1982. - 15 с.
9. Карманский А.Т. Экспериментальное обоснование прочности и разрушения насыщенных осадочных горных пород // Автореферат диссертации на соискание ученой степени д.т.н. Спб. — 2010. — С.39. ЕШ
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -
Козырев Сергей Александрович - доктор технических наук, заведующий лабораторией, [email protected],
Аленичев Игорь Алексеевич - ведущий технолог, [email protected], Горного института Кольского научного центра Российской академии наук.
UDC 622.235: 622.023
THE EFFECT OF WATER FLOODING ON THE STRENGTH AND DYNAMIC CHARACTERISTICS OF THE KOASHVA APATITE-NEPHELINE ORES
Kozyrev S.A., Head of laboratory, Dr.Sci (Eng.), [email protected], Mining Institute of the Kola Science Centre of the Russian Academy of Sciences, Russia, Alenichev I.A., leading technologist, [email protected], Mining Institute of the Kola Science Centre of the Russian Academy of Sciences, Russia.
Values of the P and S-waves velocity have been obtained for flooding apatite-nepheline ore with different content of POs- Regularities have been revealed of elastic wave velocities increase when flooding increasing. Dynamic elastic modulus and Poisson's ratio have been calculated. Regularity of reducing strength characteristics for dry and water-saturated samples of apatite-nepheline ores has been obtained.
Key words: flooding, strength characteristics, dynamic characteristics, Poisson's ratio, coefficient of open porosity.
REFERENCES
1. Kozyrev S.A., Alenichev I.A. K voprosu vliyaniya gidrogeologicheskih uslovij koash-vinskogo mestorozhdeniya OAO «Apatit» na stepen obvodnennosti gornyh porod (To the question of the influence of hydrogeological conditions Masvingo field of OJSC "Apatit" to the extent of water cut of rocks) // Monitoring prirodnyh i tehnogennyh processov pri ve-denii gornyh rabot. 2013. pp. 356-362.
2. Turchaninov I.A., Volarovich M.P. i dr. Atlas fizicheskih svojstv mineralov hibinskih mestorozhdenij (Atlas of physical properties of minerals of the Khibiny deposits) // Izd-vo «Nauka», Leningr. otd., Leningrad, 1975. pp. 71.
3. Beltyukov N.L., Evseev A.V. Sopostavlenie uprugih svojstv gornyh porod (Comparison of elastic properties of rocks) // Vestnik permskogo nacionalnogo issledovatelskogo politehnicheskogo universiteta. Geologiya neftegazovoe i gornoe delo. 2010. No 5. pp. 8285.
4. Gost 21153.0-75. Porody gornye. Otbor prob i obshie trebovaniya k metodam fizicheskih ispytanij. Vved. s 01.07.1975 do 01.07.1986. M., Izd-vo standartov, 3 p., 1975.
5. Gost 21153.2-84. Porody gornye. Metody opredeleniya predela prochnosti pri od-noosnom szhatii. Vzamen gost 21153.2-75. Vved s 19.06.84 do 01.07.91. M., Izd-vo standartov, 8 p., 1984.
6. Gost 21153.3-85. Porody gornye. Metody opredeleniya predela prochnosti pri od-noosnom rastyazhenii. Vzamen gost 21153.3-75, Gost 21153.4-75. Vved s 01.01.87 do 01.01.92. M., Izd-vo standartov, 18 p., 1987.
7. Gost 21153.7-75. Pporody gornye. Metod opredeleniya skorostej rasprostraneniya uprugih prodolnyh i poperechnyh voln. Vved. s 01.07.1976 do 01.07.1986. M., Izd-vo standartov, 8 p., 1976.
8. Gorbacevich F.F. Opredelenie skorosti raspredeleniya prodolnyh i poperechnyh kolebanij v obrazcah gornyh porod (Definition of speed of distribution of longitudinal and transverse vibrations in rock samples) // Metodicheskie rekomendacii. Apatity: KNC RAN, 1982. 15 p.
9. Karmanskij A.T. Eksperimentalnoe obosnovanie prochnosti i razrusheniya nasy-shennyh osadochnyh gornyh porod (Experimental study of strength and fracture saturated sedimentary rocks) // Avtoreferat dissertacii na soiskanie uchenoj stepeni d.t.n. Spb. 2010. p. 39.
