CC BY
23
15. Prochnost' i deformiruemost' gornyh porod / Ju.M. Kartashov [i dr.]// M.: Nedra, 1979. 269 s.
16. Cai M. Practical estimates of tensile strength and the Hoek-Brown strength parameter mi of brittle rocks // Rock Mechanics and Rock Engineering. 2010. Vol. 43. P. 167 -184.
17. Dan D.Q., Konietzky H., Herbst M. Brazilian tensile strength tests on some anisotropic rocks // International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences. 2013. Vol. 58. P. 1 -7.
18. Mishra D.A., Basu A. Use of the block punch test to predict the compressive and tensile strengths of rocks // International Journal of Rock Me-chanics and Mining Sciences.
2012. Vol. 51. P. 119-127.
19. Pisarenko G.S., Lebedev A.A. Soprotivlenie materialov de-formirovaniju i razrusheniju pri slozhnom naprjazhennom sostojanii. K.: Naukova dumka, 1969. 209 s.
20. Boldyrev G.G. Metody opredelenija mehanicheskih svojstv gruntov s kommenta-rijami k GOST 12248-2010. M.: OOO «Prondo», 2014. 812 s.
21. GOST 25100-2011. Grunty. Klassifikacija. - Vved. 2013-01-01. M.: MNTSK,
2013. 79 s.
УДК 622.02:531
ВЛИЯНИЕ ВЕЩЕСТВЕННОГО И ТЕПЛОВОГО ПОЛЕЙ
НА ЛИПКОСТЬ МЕЛА
Е.А. Ермолович, А.В. Овчинников
Рассмотрено влияние влажности и температуры на липкость мела. Исследован мел месторождения «Зеленая поляна» г. Белгорода. Определение липкости проводилось на приборе В.В. Охотина ПЛГ-Ф. Для образцов мела с естественной и нарушенной структурой установлены значения максимальной липкости и соответствующей ей влажности максимального прилипания. Установлено, что в соответствии с классификацией глинистых грунтов по липкости исследуемый мел соответствует среднеприлипаемой разновидности.
Ключевые слова: вещественное поле, тепловое поле, мел, липкость, максимальная липкость, влажность максимального прилипания, влажность начального прилипания.
Температура, влажность воздуха, атмосферные осадки определяют интенсивность выветривания горных пород, изменяют их свойства и состояние массива. Мел при увлажнении приобретает свойства глинистой породы, обладает свойством липкости и пластичности.
Липкость обусловливает проявление слёживаемости и имеет важное значение при отбойке, доставке и транспортировании горной массы. Прилипание грунтов и горных пород к поверхности землеройных и транспортных машин и механизмов вызывает снижение их производительности при выполнении добычных и вскрышных работ на карьерах [1-5].
На липкость горных пород оказывает существенное влияние и тепловое поле. Нагревание горных пород приводит к снижению их липкости в связи с переходом части связанной воды в свободную, а также уменьшением ее вязкости (и вязкости породы в целом). Значительно температура влияет на липкость пород пластичной консистенции, а в наименьшей - полутвердой и твердой. В области отрицательных температур прилипание пород к внешним предметам обусловлено их примерзанием и происходит с участием льда [6]. В соответствии с рекомендациями [7] величина липкости глинистых пород возрастает с понижением температуры от +20 до 0 °С. И если температура разрабатываемого массива приближается к нулевой, то следует результаты лабораторного определения липкости, определенной при температуре +20 ±2 °С увеличить на 20 %.
Мел широко распространен на территории Белгородской области. На территории области разведано 29 месторождений данного полезного ископаемого. Прогнозные запасы мела практически не ограничены [8].
На резкое ухудшение работы механизмов из-за проявления пластических свойств и налипания увлажненного мела, а в зимнее время его намерзания, а также на серьезные осложнения в технологии по переработке влажного мела на месторождениях Белгородской области и других регионов КМА указывают ряд авторов [8-11].
В результате анализа литературных источников установлено, что мел нарушенного сложения, наряду с супесью тяжелой, суглинком легким и илами относят к категории слаболипких грунтов [12] и начинает прилипать к поверхности рабочего оборудования с влажностью равной 8-16 % [10]. Значение влажности, при которой порода теряет липкость, известно как предел липкости [13, 14].
В данной работе исследование липкости мела проводилось в соответствии с методикой [7, 12] на приборе В.В. Охотина ПЛГ-Ф, на образцах с естественной и нарушенной структурой. Использовался мел месторождения «Зеленая поляна» г. Белгорода. С помощью металлического режущего кольца диаметром и высотой 30 мм подготовлено около 50 образцов с естественной структурой для испытаний.
Лабораторными испытаниями предварительно установлено, что среднее содержание СаСОз (СаО+СОг) в исследуемых образцах составляет 97,85 %. Содержание нерастворимого остатка (АЬОз+БЮг+БегОз) - 1,17 %. По гранулометрическому составу в исследуемом мелу преобладают частицы пылеватой фракции 0,05-0,002 мм, составляющие 73,83 % от всех фракций. Содержание тонкодисперсной фракции размером <0,002 мм составляет 26,18 %. Содержание песчаной фракции размером >0,05 мм не выявлено.
Исследование влияния вещественного поля на липкость мела проводилась на образцах с влажностью от полной влагоемкости до влажности
равной 10 %, с интервалами через каждые 2-4 %. Подготовка образцов с разным уровнем влажности проводилась в несколько стадий.
1. Вырезанные образцы с естественной влажностью достигали воз-душно-сухого состояния при комнатной температуре +20 ±2 °С; для каждого образца определялась их масса и плотность.
2. Образцы водонасыщались в ёмкостях с водой и в вакуумной камере до состояния полной влагоемкости.
3. Образцы извлекались из вакуумной камеры и в лаборатории, при комнатной температуре, естественным путём постепенно уменьшалась их влажность путем свободного испарения; контроль ориентировочного уровня влагосодержания в образцах на любой момент времени осуществлялся по значениям их фактической массы и плотности в соответствии с формулой
= (1) Ра
где р - плотность образца во влажном состоянии, г/см ; ра - плотность образца в воздушно-сухом состоянии, г/см3.
Образец помещался в форму с винтами для крепления. При этом высота образца была на несколько миллиметров больше высоты формы, а диаметр на 0,5-1 мм меньше диаметра формы. Металлический штамп с максимально возможным ручным усилием прижимался к поверхности образца. К штампу присоединялась струна с подвешенной через блок ёмкостью для груза. Через воронку засыпалась свинцовая дробь до момента отрыва штампа от образца. Образцы с нарушенной структурой формировались в форме в результате разминания образца сразу после испытаний с естественной структурой фарфоровым пестиком в фарфоровой ступке. Влажность каждого образца определялась на пробах, взятых из формы непосредственно после испытаний. На рис. 1 представлены образцы мела до и после испытаний.
Липкость т, в г/см , рассчитывалась по формуле
т = (2)
где Р - вес дроби, г.; Б - площадь штампа, равная 10 см .
Рис. 1. Исследование липкости мела: а - образцы мела до испытаний с режущим кольцом; б, в- испытание образцов с естественной структурой; г, д, е- испытание образцов
с нарушенной структурой
Исследование влияния теплового поля на липкость проводилось также на образцах с естественной и нарушенной структурой с влажностью, соответствующей установленной величине максимальной липкости в диапазоне температур: +30, +22, +15, +10, +5, 0 °С (+2 °С). Для предотвращения потери влаги, образцы мела помещались в камеру тепла и холода КТХ в полиэтилене и выдерживались в камере не менее 30 минут.
Полученные результаты экспериментальных испытаний представлены в табл. 1,2.
Влажность начального прилипания для образцов мела как с естественной, так и с нарушенной структурой установлена на одинаковом уровне 10-11 %. Значения влажности максимального прилипания при нарушении структурных связей в образцах не совпадают с образцами естественной структуры.
Таблица 1
Влияние вещественного поля на липкость мела
Липкость, г/см
Влажность, % образцы с естественной образцы с нарушенной
структурой структурой
37,77 31,94 31,46
33,91 120,04 53,20
31,95 87,62 49,20
29,58 71,16 110,70
28,12 37,74 135,56
26,28 55,04 130,07
23,84 34,83 68,49
19,35 28,61 18,33
15,77 21,28 15,92
13,71 18,01 5,38
11,97 2,26 4,66
9,84 0,00 0,00
Таблица 2
Влияние теплового поля на липкость мела
Образцы с естественной Образцы с нарушенной
Температура, структурой структурой
°С Влажность, Липкость, Влажность, Липкость,
% г/см2 % г/см2
0 ±2 °С 34,28 140,64 27,72 192,24
+5 ±2 °С 34,57 140,49 27,74 164,93
+10 +2 °С 34,12 132,64 27,84 144,42
+15+2 °С 34,58 125,57 27,78 139,77
+22 +2 °С 33,91 120,04 28,12 135,56
+30 +2 °С 34,12 106,74 27,74 133,18
Для образцов мела с естественной структурой липкость резко возрастает на 70 % в интервале влажности от 26 до 34 %. Максимальное зна-чение липкости (120,04 г/см ) соответствует влажности около 34 %. С увеличением влажности мела до состояния полной влагоекости (около 38 %) образцы мела при небольшом ручном усилии надавливания металлическим штампом переходят в мягкопластичное состояние и их липкость уменьшается на 73 %.
При нарушении структуры мела увеличение липкости на 80 % наблюдается начиная с влажности 20 %. Максимальное значение липкости
(135,56 г/см ) соответствует влажности, равной 28-26 %. С возрастанием влажности липкость также снижается более чем на 70 %.
Графики зависимостей относительных изменений липкости от влажности для образцов с естественными и нарушенными структурными связями представлены на рис. 1.
Рис. 1. Относительные изменение липкости мела от влажности: 1 - образцы с естественной структурой: 2 - образцы с нарушенной
структурой
Установленные зависимости относительных изменений липкости от влажности для образцов с естественными и нарушенными структурными
связями аппроксимируются полиномиальными функциями пятого порядка
2 2
с достоверностью Я =0,95 и Я =0,92 соответственно:
Дт=-0,0003\У5 + 0,364\У4 -1,511\У3 +29,704\У2 - 273,27\У+942,79,(3)
Дт=0,0005\У^ - 0,555\У4 + 2,39 Ш3 - 48,365\У2 + 459,87\У-1648,7, (4) где Ат - относительные изменения липкости, %; - влажность образца, %.
Тепловое поле оказывает существенное влияние на величину липкости мела. Установлено, что с понижением температуры до 0 °С максимальная липкость возрастает: у образцов с естественной структурой относительное увеличение липкости составило 15 %, а при нарушении струк-
туры - на 40 %. Повышение температуры до +30 °С приводит к небольшому уменьшению липкости (до 10 %).
Графики зависимостей относительных изменений максимальной липкости от температуры для образцов с естественной и нарушенной структурой представлены на рис. 2.
Рис. 2. Относительные изменения максимальной липкости мела от температуры: 1 - образцы с естественной структурой;
2 - образцы с нарушенной структурой
Установленные зависимости относительных изменений максимальной липкости от температуры для образцов с естественными и нарушенными структурными связями аппроксимируются полиномиальными функ-
2 2
циями второго порядка с достоверностью Я =0,98 и Я =0,97 соответствен-
Атшах = -0,0102Т2 - 0,5229Т +100,87, (5)
Атщах = 0,0569Т2 - 2,6411Т + 98,544, (6)
где Атщах ~ относительные изменения максимальной липкости, %; Т - температура, °С.
Таким образом, по величине максимальной липкости мел ненарушенного и нарушенного сложения в соответствии с классификацией глинистых грунтов по липкости [15] соответствует среднеприлипаемой разновидности, а на величину максимальной липкости мела и влажности максимального прилипания существенно влияет нарушение структурно-текстурных связей в горной породе.
Полученные зависимости позволят прогнозировать величину липкости мела при разном уровне влажности породы и в результате воздействия естественного теплового поля, а также учитывать динамику изменения данного показателя при разработке месторождений мела.
Список литературы
1. Гальперин A.M., Зайцев B.C., Норватов Ю.А. Гидрогеология и инженерная геология: учебник для вузов. М.: Недра, 1989. 383 с.
2. Геология. Часть VII. Горнопромышленная геология твердых горючих ископаемых/ В.А. Ермолов [и др.]: учебник для вузов. М.: Горная книга, 2009. 668 с.
3. Ржевский В.В. Открытые горные работы. Ч. I. Производственные процессы: учебник для вузов. 4-е изд., перераб. и доп. М.: Недра, 1985. 509
4. Сергеев Е.М. Инженерная геология. М.: МГУ, 1982. 248 с.
5. Zenkov S.A., Kirichenko О.Р., Mineev D.A. Reducing adhesion of soil to the earth-moving machines using piezoceramic transducers // Journal of advanced research in technical science. North Charleston, 2017. № 4. P. 56-58.
6. Грунтоведение / В. Т. Трофимов [и др.]: учебник для вузов. 6-е изд., перераб. и доп. М.: МГУ, 2005. 1024 с.
7. Рекомендации по определению липкости грунтов в стационарных лабораториях и полевых условиях ПНИИИС Госстроя СССР. М.: Стройиз-дат, 1983. 32 с.
8. Иванов Н. С., Мясников Н. Ф. Производство и потребление мела. Белгород: Полиграф-интерн, 2000. 264 с.
9. Вахтанова А.Н., Селезнев В.Н. Значение инженерно-геологических особенностей пород надрудной толщи при разработке их комплексами непрерывного действия (на примере КМА) // Инженерная геология. М.: 1979. № 4. С. 65-71.
10. Павленко В.М., Кононенко Е.А., Яковлев С.С. Пути совершенствования буровзрывной подготовки мелов к гидромониторному размыву //ГИАБ. М.: МГГУ, 2002. № 11. С.162-163.
11. Сотников JI.JI. Исследование технологических процессов для формирования в карьере качественного мелового сырья: автореф. дис. ... д-ра техн. наук. М. 1996. 44 с.
12. Дмитриев В.В., Ярг JI.A. Методы и качество лабораторного изучения грунтов: уч. пособие. М.: КДУ, 2008. 542 с.
13. Kooistra A., Verhoef P.N.W., Broere W., Ngan-Tillard, D.J.M. and Vantol A.F. Appraisal of stickiness of natural clays from laboratory tests // Proceedings of the 25 Years National Symposium of Engineering Geology in the Netherlands. The Netherlands, Delft, 1998. P. 101-113.
14. Rory P.A. Ball, David J. Young, Jon Isaacson, Jeffrey Champa, Christopher Gause Research in Soil Conditioning for EPB Tunneling Through Difficult Soils // Proceedings of the Rapid Excavation and Tunneling Conference. Las Vegas, Nevada, 2009. P. 320-333.
15. ГОСТ 25100-2011. Грунты. Классификация. M.: МНТСК, 2013.
79 с.
Ермолович Елена Ахмедовна, д-р техн. наук, доц., проф., elena. ermolovich®,mail,ru, Россия, Белгород, Белгородский государственный национальный исследовательский университет,
Овчинников Александр Владимирович, ст. препод., ovchinnikov(a),bsu.edu.ru, Россия, Белгород, Белгородский государственный национальный исследовательский университет
THE EFFECT OF MATERIAL AND THERMAL FIELDS ON THE STICKINESS
OF CHALK
E. A. Ermolovich, A. V. Ovchinnikov
The effect of moisture and temperature on the stickiness of chalk is considered. The chalk of the "Green Glade " deposit of Belgorod was investigated. Determination of stickiness was carried out on the device of V. V. Ohotin PLG-F. The values of maximum stickiness and the corresponding moisture of maximum sticking for samples of chalk with a natural and broken structure were determined. It has been established that, according to the classification of clay soils by stickiness, the investigated chalk corresponds to the medium-sticking variety.
Key words: material field, thermal field, chalk, stickiness, maximal stickiness, moisture of maximum sticking, moisture of initial sticking
Ermolovich Elena Akhmedovna, doctor of technical sciences, docent, professor, elena. ermolovich(ci>,mail. ru, Russia, Belgorod,Belgorod National Research University,
Ovchinnikov Aleksandr Vladimirovich, senior teacher, ovchinnikov(a),bsu. edu.ru, Russia, Belgorod,Belgorod National Research University
Reference
1. Gal'perin A.M., Zajcev V.S., Norvatov Ju.A. Gidrogeologija i inzhenernaja ge-ologija: uchebnik dlja vuzov. M.: Nedra, 1989. 383 s.
2. Geologija. Chast' VII. Gornopromyshlennaja geologija tverdyh go-rjuchih is-kopaemyh/ V.A. Ermolov [i dr.]//Uchebnik dlja vuzov. M.: Gornaja kniga, 2009. 668 s.
3. Rzhevskij V.V. Otkrytye gornye raboty. Chast' I. Proizvod-stvennye processy: uchebnik dlja vuzov. 4-e izd., pererab. i dop. M.: Nedra, 1985. 509 s.
4. SergeevE.M. Inzhenernaja geologija. M.: MGU, 1982. 248 s.
5. Zenkov S.A., Kirichenko O.P., Mineev D.A. Reducing adhesion of soil to the earth-moving machines using piezoceramic transducers // lournal of advanced research in technical science. North Charleston, 2017. № 4. P. 56-58.
6. Gruntovedenie / V. T. Trofimov [i dr.]// Uchebnik dlja vuzov. 6-e izd., pererab. i dop. M.: MGU, 2005. 1024 s.
7. Rekomendacii po opredeleniju lipkosti gruntov v stacionarnyh laboratorijah i polevyh uslovijahPNIIIS Gosstroja SSSR. M.: Strojizdat, 1983. 32 s.
8. Ivanov N. S., Mjasnikov N. F. Proizvodstvo i potreblenie mela. Belgorod: Poligraf-intern, 2000. 264 s.
9. Vahtanova A.N., Seleznev V.N. Znachenie inzhenerno-geologicheskih osoben-nostej porod nadrudnoj tolshhi pri razrabotke ih kompleksami nepreryvnogo dejstvija (na primere KMA) // Inzhenernaja geologija. M.: 1979. № 4. S. 65-71.
10. Pavlenko V.M., Kononenko E.A., Jakovlev S.S. Puti sovershen-stvovanija bu-rovzryvnoj podgotovki melov k gidromonitornomu razmyvu // GIAB. M.: MGGU, 2002. № 11. S.162-163.
11. Sotnikov L.L. Issledovanie tehnologicheskih processov dlja formirovanija v kar'ere kachestvennogo melovogo syr'ja: avtoref. dis. ... d-ratehn. nauk. M. 1996. 44 s.
12. Dmitriev V.V., Jarg L.A. Metody i kachestvo laboratornogo izuchenija gruntov: uch. Posobie/M.: KDU, 2008. 542 s.
13. Kooistra A., Verhoef P.N.W., Broere W., Ngan-Tillard, D.J.M. and Vantol A.F. Appraisal of stickiness of natural clays from laboratory tests // In: Proceedings of the 25 Years National Symposium of Engineering Geology in the Netherlands. The Netherlands, Delft, 1998. P. 101-113.
14. Rory P.A. Ball, David J. Young, Jon Isaacson, Jeffrey Champa, Christopher Gause Research in Soil Conditioning for EPB Tunneling Through Difficult Soils // Proceedings of the Rapid Excavation and Tunneling Conference. Las Vegas, Nevada, 2009. P. 320-333.
15. GOST 25100-2011. Grunty. Klassifikacija. Vved. 2013-01-01. M.: MNTSK, 2013. 79 s.
УДК 622.831
ПРИМЕНЕНИЕ МЕТОДА КОНЕЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ПРИ МОДЕЛИРОВАНИИ СДВИЖЕНИЯ ЭЛЕМЕНТОВ ГОРНОГО
МАССИВА
А.Е. Коряков, А.Б. Копылов, И.И. Савин
Рассматриваются вопросы моделирования сдвижения элементов горного массива при добыче полезных ископаемых подземным способом. Предлагается математическая модель с использованием метода конечных элементов.
Ключевые слова: горный массив, напряженно-деформированное состояние, математическая модель, метода конечных элементов, геомеханическая система, нарушения земной поверхности
Непрерывное наращивание и сосредоточение промышленного потенциала в крупных территориально-производственных комплексах страны вызывают неизбежное изменение окружающей среды, нарушая полностью или частично сложившиеся экологические связи в зонах размещения
