Введение к работе
Актуальность темы. С XIX века птю настоящее время Забайкалье — один из крупных районов интенсивного освоения территории России. За этот период накопился большой опыт строительства и эксплуатации различного рода инженерных объектов, главными из которых были и остаются горнодобывающие и горно-перерабатывающне. По мере развития масштабов добычи и переработки полезных ископаемых увеличивались площади освоения, становилась сложнее инфраструктура горно-промышленных комплексов. Это требовало постоянного совершенствования инженерно-геологических и геокриологических работ, направленных на обеспечение устойчивой эксплуатации и безаварийной работы шахт, карьеров, транспортных п гражданских сооружений. Перспективы освоєння уникальных месторождений Забайкальского Севера — Удо-канского (медь), Катугипского и Чппейского (редкие металлы), Апсатского (коксующиеся угли) п других — предопределяют необходимость своевременного развития данного направления исследований. В первую очередь это связано с надежностью и достоверностью получения соответствующей информации по морозостойкости, скорости разрушения и физико-механическим свойствам скальных пород крнолитозоны.
В существующих традиционных методиках не предусмотрены работы по изучению изменений свойств горных пород в предельно жестких геокриологических условиях, при которых разрушение горных пород протекает под воздействием темпе-pafypiibix напряжений, характерных для теплового удара с последующим криогенным выветриванием в аквальных условиях. Наряду с этим, обращая внимание на качество определений морозостойкости и физико-механических свойств горных пород на момент проектирования, строительства и эксплуатации объектов горной промышленности, производственные и троектные организации часто недооценивают необходимость
прогноза их изменения при воздеііетшш криогенного выветривания.
Таким образом, научно-практическая задача оценки воздействия криогенного выветривания па морозостойкость, скорость разрушения и физико-механические свойства скальных пород имеет важное научное и прикладное значение.
Работа выполнена в соответствии с программами СО РАН «Сибирь», «Медные руды Удокапа» и госбюджетной темы «Исследование современного и верхнеплейстоценового крио-лптогенеза, криогенных процессов и явлений».
Идея работы заключается в том, что изменения морозостойкости и физико-механических свойств скальных горных пород различной криогенной предразрушенностн под воздействием криогенного выветривания, необходимо учитывать г процессах горного производства, а также при проектировании и эксплуатации горно-технических объектов.
Цель работы — оценить воздействие криогенного выветри вания па морозостойкость, скорость разрушения и фпзнко-ме ханические свойства скальных горных пород различной степе ни криогенной предразрушенностн.
Для решения поставленной цели необходимо было решиті следующие основные задачи:
-
На основе анализа существующих методик, в соответст вни с поставленной целью, разработать методику пзучени воздействия криогенного выветривания на морозостонкості скорость разрушения и физико-механические свойства скалі пых горных пород.
-
Экспериментально исследовать воздействие крпогепног выветривания па разрушение скальных пород в натуральны и лабораторных условиях.
-
Выполнить комплексные исследования влияния крногеї ного выветривания на морозостойкость и физико-мехапическі свойства скальных пород.
-
Разработать методику оценки и прогноза воздейстш криогенного выветривания на морозостойкость, скорость ра рушения и физнко-мехацические свойства скальных горщ пород криолитозоны.
-
Показать, что полученные результаты исследований ік воляют совершенствовать методические схемы оценки устс чпвостн бортов карьеров и технологии взрывной отбойки р)
— .2 —
Методика исследований. Реализация поставленной цели і вытекающих из нее задач осуществлялась с использованием .омплекса .методов, включающих: патентный поиск, анализ пггсратурных и фондовых источников, изучение современного остоянпя проблемы, натурных и лабораторных экспернмен-альных исследований воздействия криогенного выветривания а морозостойкость, скорость разрушения и физико-механнче-кпе свойства скальных горных пород.
Для проведения экспериментальных исследований, при непосредственном участии автора, в лаборатории инженерной риогеодпнампкн Читинского отдела Института мерзлотоведе-ия им. П. И. Мельникова СО РАН была разработала комп-ексная методика, структура которой состоит из четырех бло-ов:
-
Отбор и подготовка образцов и проб скальных пород для кспериментальпых исследований г. натурных и лабораторных словнях.
-
Стационарные (натурные) исследования влияния крпо-мшого выветривания на морозостойкость пород различного щезиса, состава, строения и свойств.
-
Моделирование условий криогенного выветривания с уче-)м «сибирских* амплитуд температур и количества циклов терзания и оттаивания (1130), исследование их влияния па пзпко-механпческие свойства скальных пород в лаборатор-лх условиях.
-
Анализ результатов экспериментальных исследований, юдификацпя существующих и поисх новых эмпирических за-існмостей для оценки и прогноза влияния криогенного выбривания па физнко-мехапичеекпе свойства скальных пород.
Научные положения, выносимые на защиту.
1. Методика комплексных исследований криогенного вы-'трпваппя для оценки его воздействия па морозостойкость, ;оросль разрушения п фпзнко-мехаппчеекпе свойства скаль-.IX горных пород.
2. Закономерности изменения физико-механических свойств, трозостойкостн и скорости разрушения скальных горных по-;д различной иредразрушеппостп в зависимости от условий шогенного выветривания и количества циклов замерзания
оттаивания.
3. Методика оценки и прогноза воздействия криогенного іветрипанпя па фнзико-мехаппчеекпе свойства, морозостой-ість и скорость разрушения скальных горных пород.
Достоверность научных положений и выводов натурных и лабораторных экспериментальных исследовании проверена методом вычисления относительных ошибок, которые не превышали 15 проц., подтверждаются удовлетворительной сходимостью между экспериментальными данными, оценкой п прогнозом воздействия криогенного выветривания на скальные горные породы — коэффициенты корреляции изменялись в интервале от 0,65 до 0,95 при доверительной вероятности 0,9 — не менее 0,85.
Научная новизна работы заключается в:
разработке н обосновании методики комплексных исследований влияния условий криогенного выветривания на морозостойкость, скорость разрушения и физико-механические свойства скальных пород;
установлении закономерностей и количественной оценке воздействия условий криогенного выветривания на изменение базовых физических (плотности, влажности и пористости), прочностных (предел прочности на одноосное сжатие), упругих (скорость прохождения продольных ультразвуковых воли) п деформационных (коэффициент Пуассона) свойств скальных горных пород;
количественно-качественной оценке влияния хпмнко-минералогического и петрографического составов, структурно-текстурных особенностей, криогенной предразрушенности, генезиса и возраста пород на морозостойкость, скорость разрушения в различных условиях криогенного выветривания;
разработке методики оценки н прогноза изменений морозостойкости, скорости разрушения и физико-механпческіи свойств скальных пород с учетом условий криогенного выветривания.
Личный вклад соискателя заключается в:
разработке методики и проведении экспериментальных стационарных (натурных) исследований криогенного выветривания скальных пород;
разработке методики проведения лабораторных экспериментальных исследований влияния криогенного выветривание па морозостойкость, скорость разрушения и физико-мехапиче-скпе свойства скальных горных пород;
проведении экспериментальных исследований, обработке полученных результатов и их анализа;
разработке и обосновании способов взрывной отбойкі породы на основе механизма криогенного -разрушения скаль
— 4 —
пых пород, расчетном определении площадей обломков скальных пород и уточнении углов наклона бортов карьеров с учетом воздействия на скальные породы криогенного выветривания.
Практическое значение работы состоит к том, что:
разработана методика комплексных исследований и прогноза влияния условий криогенного выветривания па морозостойкость, скорость разрушения и физико-механические свойства скальных горных пород;
на основе результатов исследований воздействия криогенного выветривания на физико-механические свойства, морозостойкость и скорость разрушения скальных горных пород показана необходимость совершенствования методик расчета углов наклона карьеров в крполптозоне;
предложен способ взрывной отбойки руд (Л. С. 1839056) с использованием гпдроразрыва скальных пород в комплексе с криогенным воздействием, позволяющий уменьшить удельный расход взрывчатых веществ в 1,5—2,0 раза;
предложен способ расчета площадей обломков скальных пород (А.С. 1651084) для оценки скорости их разрушении в результате воздействия криогенного выветривания;
разработана методика оценки и прогноза воздействия криогенного выветривания па морозостойкость, скорость разрушения и физико-механические свойства скальных пород различного генезиса, состава, строения н свойств с учетом глубины залегания в крполптозоне.
Реализация работы. Результаты исследовании использовались при:
проектировании эффективной н безопасной разработки месторождений Кодаро-Удоканской рудной провинции, повышения качества строительства и эксплуатации инженерных сетей и транспортных коммуникаций Удоканского ГОКа в зонах повышенной активности криогенного выветривания;
разработке рекомендаций по безопасному ведению горных рабог па удароопаспых участках Дарасупского месторождения и эко.тоготсографпческой оценке территории к ТЭО Шплкппской ГЭС и создании «Методики опенки ущерба от воздействия опасных сейсмических и геокриологических процессов па здания и сооружения Удоканского ГОКа-\ Отдельные положения результатов исследований криогенного выветривания горних пород попользуются при чтении лекнин на
~- 5 -*
географическом факультете Забайкальского государственного педагогического университета.
Практическая реализация полученных результатов подтверждена актом о долевом участии внедрения научно-исследовательских работ в производство.
Апробация работы. Материалы диссертации докладывались на расширенном Совете по геокриологии Земли ЛИ СССР (г. Москва, 1989 г.), па 9-м и 11-м Всесоюзных семинарах по измерению напряжений в массиве горных пород в Институте горного дела СО ЛИ СССР (г. Новосибирск, 1984, 1990), па международной конференции «Геокриология и природные ресурсы бассейна Верхнего Амура: проблемы изучения и освоения» (г. Чита, 1990), на 1-й и 2-й научно-практических конференциях «Инженерно-геокриологические проблемы Забайкалья» (г. Чита, 1987, 1990), на совместных семинарах лаборатории «Гсомехаппки» Читинского института природных ресурсов СО РАН и «Инженерной криогеодппампкп» Института мерзлотоведения СО РАН (г. Чита, 1990—1993 гг.), на совместном заседании лаборатории «Инженерной криогеодппампкп» Института мерзлотоведения СО РАН и секции Инженерной геокриологии и экологии Читинской областной федерации НТО строителей (г. Чита, 1996), па семинаре кафедры Разработки месторождений полезных ископаемых Читинского государственного технического университета (г. Чита, 1997).
Публикации. Основные результаты и положения по теме диссертации опубликованы в 17 работах, включая одну монографию и два авторских свидетельства па изобретения.
Объем и структура работы. Диссертационная работа состо
ит из Введения, 5-ти глав, Заключения, списка литературы
из наименовании и содержит . листи машинопис
ного текста, рисунков и приложений, подтверж
дающих внедрение результатов диссертационной работы.