Содержание к диссертации
Введение
1. Влияние физических свойств пород на устойчивость откосов бортов карьера
1.1. Условия нарушения устойчивости откосов бортов карьера, сложенных аргиллитовыми породами 10
1.2. Анализ условий и эффективности применения способов искусственного повышения устойчивости карьерных откосов, сложенных породами глинистого состава с нежестким сцеплением частиц. Постановка цели и задач исследований 14
Выводы 21
2. Теоретические исследования повышения связности аргилжтовых пород и распространения раствора в массше .
2.1. Связность минеральных гидрослюдистых частиц породы. 23
2.2. Анализ распространения химически активного вещества (раствора) в аргиллитовых породах 29
3. Состав пород и выбор оптимальных параметров засоления .
3.1. Методика исследований 43
3.2. Состав и природа связности пород 54
3.3. Влияние засоления на количество связанной воды в породе 66
3.4. Кинетика диффузного переноса раствора в образцах 76
3.5. Влияние засоления на удержание связанной воды при цикличном воздействии попеременного высыхания и увлажнения (замораживания и оттаивания) пород 80
4. Исследования изменений прочностных параметров пород в результате засоления .
4.1. Методика исследований 87
4.2. Уплотнение пород под нагрузкой 93
4.3. Испытание пород на срез со сжатием при различных углах наклона плоскости сдвига к направлению действия внешнего усилия 97
4.4. Анализ полученных результатов .102
5. Проведение исследований по засолению вскрышного уступа, сложенного аргиллитовыми породами, и оценка его устойчивости в условиях павловского карьера .
5.1. Горно-геологическая характеристика условий отработки аргиллитовых пород и участка проведения испытаний 105
5.2. Методика проведения натурных исследований 108
5.3. Исследование закономерностей распространения раствора вокруг скважины 115
5.3.1. Установление радиуса засоления 115
5.3.2. Установление математической зависимости распространения раствора вокруг скважины 125
5.4. Определение прочности пород массива на сдвиг 127
5.5. Результаты проведения опытно-промышленных испытаний по засолению вскрышного уступа борта карьера, сложенного аргиллитовыми породами 130
5.6. Результаты наблюдений за устойчивостью борта откоса карьера после засоления 132
5.7. Расчет технико-экономической эффективности засоления 134
Заключение 141
Список используемых источников 143
Приложения 151
- Анализ условий и эффективности применения способов искусственного повышения устойчивости карьерных откосов, сложенных породами глинистого состава с нежестким сцеплением частиц. Постановка цели и задач исследований
- Анализ распространения химически активного вещества (раствора) в аргиллитовых породах
- Кинетика диффузного переноса раствора в образцах
- Испытание пород на срез со сжатием при различных углах наклона плоскости сдвига к направлению действия внешнего усилия
Введение к работе
В "Основных направлениях экономического и социального развития СССР на I98I-I985 годы и на период до 1990 года" предусматривается "обеспечить создание и широкое применение технических средств и технологий для комплексного и более полного извлечения полезных компонентов из руд, разработка бедных и сложных месторождений". Развитие горного производства связано с дальнейшим ростом добычи минерального сырья наиболее эффективным открытым способом. Однако в результате ведения открытых горных работ наблюдаются деформации бортов карьеров, приводящие к нарушению их устойчивости и обрушению. Так, по данным института ВИОГЕМ [i] , только на карьерах черной металлургии за год происходит до ста деформаций бортов карьеров, из которых 70% в откосах, сложенных породами глинистого состава. Объемы обрушений в пределах одного предприятия достигают 2-3 млн.м3 в год и вызывают дополнительные затраты на ликвидацию последствий обрушений и повышение трудоемкости ведения горных работ [ 2 ] .
Методы расчета устойчивости карьерных откосов не могут учитывать всех горно-технологических факторов и климатического воздействия на горный массив, в связи с этим они не позволяют с достаточной точностью определить их устойчивость.
Практика применения искусственных способов повышения устойчивости бортов карьеров показала, что их использование до 10 раз сокращает расходы предприятия, связанные с увеличением вскрышных работ в результате обрушений иорта карьера.
Существующие спосооы такие как контрфорс, породная пригрузка, торкретирование, полимерные покрытия и т.д. имеют поверхностный характер воздействия и не эффективны для предотвращения деформа- ций и обрушений бортов карьеров, сложенных породами глинистого состава с нежестким сцеплением минеральных частиц между собой. В связи с этим возникла необходимость разраоотки новых способов повышения устойчивости оортов карьеров, существенно сокращающих расходы предприятия, связанные с увеличением объемов вскрыши.
Одним из известных в дорожном и гражданском строительстве способов увеличения связности пород является засоление. Однако в горном производстве с целью повышения устойчивости оортов карьеров, сложенных породами глинистого состава, этот способ не применялся и соответственно не изучены влияние засоления на физико-технические параметры пород и механизм распространения солевого раствора в горном массиве. Поэтому установление зависимостей изменения связности гидрослгодистых пород глинистого состава от степени насыщения их солевым раствором для повышения устойчивости бортов карьеров является актуальной научной задачей.
Объектом изучения в диссертационной работе являются гидрослюдистые породы глинистого состава ( аргиллитовые породы ), относящиеся к вскрышному комплексу Павловского ГОКа, введенного в эксплуатацию в 1976 году и являющегося одним из крупнейших комбинатов нерудной промышленности производительностью 7,9 млн.м3 щебня и песка, В связи с нарушением устойчивости вскрышных уступов, сложенных аргиллитовыми породами, ввод и начало эксплуатации карьера было задержано на несколько лет.
Анализ причин деформаций бортов карьера показал, что разрушение вызвано нарушением сцепления частиц породы между собой, которое происходит в результате климатического воздействия в виде попеременного высыхания и увлажнения, а также промерзания массива на глубину более І м с последующим оттаиванием в летний период. В связи с этим происходит отслаивание пластинок породы с поверх- - б - ности массива, вызывая появление осыпи, систем трещин, и впоследствии при интенсивном ведении горных работ образованию заколов и сдвиговых деформаций на глубину по неблагоприятно ориентированным поверхностям ослабления сцепления в сторону карьера. Такой механизм деформаций наблюдается в породах с нежестким сцеплением частиц между собой. Предупреждение деформаций и повышение устойчивости борта карьера возможно на основе применения засоления. Поэтому необходимы исследования влияния солевых растворов на изменение связности аргиллитовых пород и разработка обоснованных параметров по использованию засоления в горном производстве с целью предупреждения деформаций борта карьера и поддержания устойчивости угла его заложения и тем самым обеспечения безопасного и эффективного ведения горных работ в сложных горно-геологических условиях [з].
Цель работы заключается в установлении зависимостей изменения прочности сцепления гидрослюдистых пород глинистого состава от количества содержащегося в них раствора минеральной соли для разработки метода повышения устойчивости бортов карьеров путем засоления вскрышных пород, позволяющий снизить затраты на их укрепление.
Идея работы заключается в использовании зависимостей изменения связности пород от степени насыщения их солевым раствором для повышения устойчивости бортов карьеров.
Научные положения, разраоотанные лично диссертантом, и новизна : - впервые установлена зависимость изменения связности гидрослюдистых пород глинистого состава от количества содержащейся воды в породе, которая показала, что раствор хлористого натрия 12,5% увеличивает прочность сцепления пород в массиве на 26%, использование этой зависимости позволило разработать метод повышения устойчивости бортов карьеров и снизить затраты на их укрепление ; - впервые установлена зависимость распространения раствора в массиве от параметров его засоления, характеризующаяся тем, что радиус гидравлического влияния скважины прямо пропорционален корню квадратному из времени засоления массива и связан степенной зависимостью с константой скорости ионисороционного обмена между породой и раствором .
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций доказаны : использованием методов теории образования связанной воды на поверхности минеральных частиц породы для выбора солевого раствора, спосооного увеличить прочность сцепления пород, что подтверждается результатами лаоораторных исследований повышения прочности сцепления породы в куске и увеличением прочности пород массива после его засоления на 26% при отсутствии деформаций борта карьера в течение 5 лет ; согласованием результатов аналитических исследований и натурных экспериментов по выявлению зависимости распространения раствора в приокважиннои зоне массива при достаточном количестве статистического материала и максимальном расхождении полученных результатов 15 % .
Значение работы. Научное значение работы заключается в установлении зависимостей изменения прочности сцепления пород от количества связанной воды в породе при ее засолении, а также зависимости распространения раствора в приокважиннои зоне массива с учетом процессов ионообменной сорбции между породой и раство- ~ 8 - ром, позволивших расширить представление о влиянии растворов солей на физические свойства гидрослюдистых пород глинистого состава.
Практическое значение работы заключается в том, что разработан метод повышения устойчивости бортов карьеров путем засоления вскрышных аргиллитовых пород, на основании которого сделаны " Рекомендации по применению засоления вскрышных гидрослюдистых пород глинистого состава ( аргиллитовых пород ) для повышения устойчивости откоса борта карьера на предприятиях нерудной промышленности ", использование которых позволяет снизить затраты горного предприятия на поддержание устойчивого угла откоса борта карьера, что достигается за счет сокращения объемов работ, связанных с укреплением пород борта уступа.
Реализация в промышленности. "Рекомендации по применению засоления вскрышных гидрослюдистых пород глинистого состава ( аргиллитовых пород ) для повышения устойчивости откоса борта карьера на предприятиях нерудной промышленности" внедрены на Павловском ГОКе при расчетном годовом экономическом эффекте 159,7 тыс. руб. и использованы институтом С0ЮЗГИПР0НЕРУД при подготовке " Дополнения к проекту ведения горных работ наПавловском ГОКе" в 1978 году.
Диссертационная работа выполнялась в Московском горном институте в соответствии с "Важнейшей целевой комплексной программой экономического и социального развития промышленности Минстройма-териалов РСФСР" Р3.08.Л.0І "Разработка и внедрение прогрессивных методов добычи нерудных строительных материалов", ГР 8104312 6.
В основу работы положены результаты научных исследований, проводимых учеными и сотрудниками МГИ при непосредственном учас- тии автора.
Автор выражает глубокую признательность заведующему кафедрой, ./''заслуженному деятелю нау ки и техники РСФСР А.С.Бурчакову и коллективу сотрудников отдела биохимических и химических методов борьбы с метаном в угольных шахтах МГЙ за консультации и методическую помощь при выполнении работы^
Анализ условий и эффективности применения способов искусственного повышения устойчивости карьерных откосов, сложенных породами глинистого состава с нежестким сцеплением частиц. Постановка цели и задач исследований
Б настоящее время уделяется большое внимание задаче своевременного и целенаправленного предупреждения разрушающих деформаций карьерных откосов, что связано с потерей их устойчивости. Но только комплексный подход с учетом свойств пород, влияния климатических условий, ведения горных работ может привести к эффективному пути ее решения через обоснование и выбор параметров применяемого способа искусственного повышения устойчивости борта карьера .
Б работах академика Б.Б.Ржевского [ 3,4]сформулированы основные задачи управления карьерными откосами, влияния горно-технологических факторов на устойчивость пород, предложены пути их решения.
Б работах Б.Ф.Беляева 9 , П.А.Власова [ю], М.Е.Певзнера [іІ,І2] , М.А.Ревазова [іЗ,І4], Г.Л.Фисенко [іб] рассматриваются систематизации способов, а также конкретные примеры их использования для повышения устойчивости бортов карьеров.
Существуют систематизации способов искусственного повышения устойчивости горных пород всех петрографических типов. Но так как свойства аргиллитовых пород проявляются в зависимости от присутствия цементирующего вещества между частицами (агрегатами), и присутствие которого придает аргиллитовым породам прочность, в связи с чем их относят к полускальным породам [б,16,17,18,19], а в конкретном случае, как описано выше, аргиллитовые породы относятся к породам глинистого состава с нежестким сцеплением частиц между со бой, то ниже рассматриваются способы согласно условиям обеспечения связности породы и устойчивости массива в целом.
На рис.1.1 приведена схема систематизации способов искусственного повышения устойчивости аргиллитовых пород с нежестким сцеплением на примере имеющегося опыта для искусственного укрепления глинистых пород. Б систематизации характер воздействия на породы подразделяется на механический, физико-химический и изолирующие покрытия и определяет методический подход в выборе способа.
Целью механического воздействия, которое направлено на поддержание массива пород в устойчивом состоянии с сохранением его монолитности, является простое механическое воспрелятствие смещению и перемещению объемов пород. Б практике ведения горных работ известны способы устройства контрфорса, породных пригрузок. Воздействие основано на использовании собственного веса искусственно-нанесенных на борт укрепляемого массива или его поверхность дополнительных объемов пород при наличии скального основания. Отвал отсыпается ярусами [20]. Стоимость укрепления I м3 пород способом породной пригрузки при наличии скальных пород в карьере составляет 0,2-0,8 руб., при отсутствии 1,3-1,4 руб.
Породная пригрузка не является средством, обеспечивающим устойчивость пород боковых поверхностей уступа, и не препятствует выветриванию пород и нарушению их связности.
Возведение контрфорса связано с выполнением больших объемов работ и в ряде случаев этот способ экономически нецелесообразен21]. Стоимость укрепления I м3 пород в отдельных случаях составляет 1,67 руб. и более.
Целью физико-химического воздействия является изменение физико-технических параметров пород при взаимодействии с раствором. В практике ведения строительных работ известен способ засоления, который используется , в основном, при устройстве дорожных покрытий, одежд каналов и котлованов, а также при поверхностном повышении устойчивости откосов [22-25] .
За счет заполнения объемов пор растворами солей, межфазового взаимодействия между породой и раствором и т.д. происходит уплотнение породы и уменьшение ее водопроницаемости. Применение способа связано с выбором состава раствора и его концентрации. Засоление происходит нанесением слоя соли или раствора на поверхность массива с последующим перемешиванием и уплотнением. Засоление массива на глубину не применялось.
Существуют отдельные экономические показатели сравнительной стоимости использования засоления с другими способами, применяемыми при устройстве "одежд" каналов [24]. Так, стоимость использования бетона составляет 4 руб/м3; глинобетона - 1,23 руб/м3; использование нефтепокрытий - 0,9 руб/м3; засоление - 0,60 руб/м3.
В отечественной и зарубежной практике нашло широкое применение изолирующее покрытие. Изолирующее покрытие наносится на поверхность откосов и предохраняет от выветривания глинистые породы, а также предотвращает их деформации типа осыпей и отдельных вывалов. Б качестве изолирующих покрытий могут быть использованы пластмассовые пленки (полиэтиленовые, полистироловые, полихлорвиниловые и др.), полимерные вещества (формальдегидные, карбамидные и эпоксидные смолы) и торкретбетон [2,2б].
Пластмассовые пленки применяются толщиной от 0,2 до 0,05 мм. Пленки должны быть покрыты защитным слоем грунта. Срок службы принимается до 5 лет, хотя из практики применения их в ирригационном строительстве срок эксплуатации I год [27]. Пленки подвержены климатическому воздействию: в сухих условиях пленки становятся жесткими, быстро стареют, резко ухудшают физико-механические свойства. Стоимость покрытия I м поверхности при толщине пленки 0,15 мм -1,5-2,0 руб.
Защитные покрытия на основе синтетических смол, нанесенные на поверхность откоса, связывают минеральные частицы и придают породе прочность и водонепроницаемость. Однако, применение таких покрытий ограничено,они применяются для пород, имеющих кислую средо(рН .7). Стоимость покрытия І м поверхности тремя слоями эпоксидной смолы составляет 1,23-2,0 руб. [28]. Применение мочевино-фор-мальдегидных и карбамидных смол ограничено из-за экономической нецелесообразности. Стоимость I т смолы МФ-І7 составляет 300 руб.
По имеющимся данным [29], применение различных типов износоустойчивых облицовочных покрытий не экономично. Так, укрепление
Анализ распространения химически активного вещества (раствора) в аргиллитовых породах
Во вскрытом состоянии аргиллитовые породы обладают незначительной прочностью, и поэтому принудительное распространение в них химически активных веществ, а в нашем случае растворов солей, практически невозможно [30,43].
Безнапорное распространение раствора в массиве, сложенном породами глинистого состава, когда движение раствора связано с процессами ионообменной сорбции, в настоящее время недостаточно
Раствор от скважины в глубь массива к периферии распространяется за счет трещинной и капиллярной проницаемости, при этом передвижение фронта жидкости является функцией времени. Одновременно происходит движение жидкости в пористой структуре породы за счет диффузии, с которой связаны процессы изменения концентрации раствора по радиусу его распространения и межфазового взаимодействия породы и раствора, что обуславливает засоление массива [зэ]. При диффузионном передвижении раствора в пористой структуре породы процессы ионообменной сорбции продолжительны во времени, и поэтому координата фронта засоления массива будет отставать во времени от передвижения координаты фронта раствора по трещинам и капиллярам пород массива.
Изучение закономерностей протекания процессов диффузии на аргиллитовых породах по литературным источникам не обнаружено, поэтому теоретические исследования этого вопроса рассматриваются на глинистых породах.
Процесс распространения раствора в глинистых породах изучался в работах Б.А.Приклонского и Н.А.Окниной [45]; перераспределение растворенного вещества в процессе диффузии и появление осмотического движения воды изучалось в работах А.Р.Волошиной [4б] и Н.А.Комарова [47J; вопросам возникновения межфазового взаимодействия при диффузии уделено внимание в работах И.А.Бриллинга [48] , М.К.Мельниковой [49J; изучение диффузии в капиллярах рассматривалось в работах В.А.Чернова [50], Б.Ф.Рельтова и М.А.Новицкой[51,52] и т.д.
Установлено, что при введении в породу химически активного- -вещества (раствора) происходит повышение концентрации насыщающего породу раствора, за счет чего появляется градиент концентраций. Вследствие действия последнего возникает осмотическое давление, приводящее к развитию процессов диффузии. При этом вода из незасоленных слоев породы как растворитель перемещается в сторону большей концентрации раствора, т.е. в результате такого перемещения происходит распределение раствора в породе и выравнивание концентраций. Вопросы изучения процессов диффузии и перераспределения компонентов раствора связаны с представлениями о связанной воде в породе [бЗ].
В глинистых породах процесс диффузии компонентов химически активного вещества протекает несколько сложнее, чем в идеальных растворах, когда происходит взаимное перемещение частиц растворимого вещества и растворителя. В глинистых породах этот процесс подробно исследован в работах Б.Ф.Рельтова [51,52] .
Б.Ф.Рельтовым предложена схема капилляра в глинистых породах. Перемещение диффундирующего вещества рассматривается как перемещение через полупроницаемую несовершенную перегородку, которая представляет собой толстую стенку поры. Чем уже капилляр, тем сильнее влияние электростатических сил на диффузию растворенного вещества, а следовательно, и на осмотическое перемещение воды в капилляре. Такой подход предполагает одно допущение, а именно, что межфазовое взаимодействие между породой и внешним раствором отсутствует.
Перенос массы вещества в результате диффузии описывается первым законом Фика [43J и выражается как:где W - количество продиффундированного вещества, кг ;межфазовым взаимодействием в среде, то закон Фика, описывающий количественно процесс диффузии, оказывается непригодным [54,55]. Это нарушение закона обусловлено тем, что процесс диффузии представляет собой с молекулярной точки зрения хаотическое перемещение молекул, на которое накладывается перемещение, вызванное градиентом концентрации, и в этом случае перемещение подчиняется вероятностным законам. Если будет происходить взаимодействие в процессе диффузии между диффундирующим веществом (компоненты химически активного вещества) и поверхностным слоем частицы (химически активным компонентом породы), то будут возникать силы, вызванные таким взаимодействием, и движение не будет подчиняться вероятностным законам, а будет определяться законом действия масс (химической кинетикой). Наличие такого взаимодействия свидетельствует об отступлениях от первого закона Фика [56,57] .
Изучая межфазовое взаимодействие в процессе диффузии, И.А. Бриллинг установил, что перемещение компонентов раствора происходит не одинаково и закон электронейтральяости их перемещения не будет соблюдаться до тех пор, пока происходит межфазовое взаимодействие между компонентами раствора и поглощающим обменным комплексом породы (химически активные компоненты породы), в результате содержание химически активного компонента в породе уменьшается. Физически это означает, что пористая структура породы постепенно насыщается раствором, а компонент из раствора уходит на реакцию. Отставание перемещения компонентов раствора в
Кинетика диффузного переноса раствора в образцах
Как отмечено в 3.3, во вскрытом состоянии аргиллитовые породы обладают незначительной прочностью, и поэтому принудительное насыщение их раствором практически невозможно. Насыщение пород раствором и распространение последнего в массиве в данном случае возможно за счет процесса диффузии.
Для раскрытия механизма диффузионного распространения раствора в аргиллитовых породах ивучена кинетика процесса, которая характеризуется исследованием следующих величин:- коэффициентом диффузии химически активного компонента раствора и породы;- межфазовым взаимодействием раствора и породы;- взаимосвязью процессов диффузии химически активного вещества (раствора) в породе и межфазовым взаимодействием породы и раствора.
Результаты исследований представлены в приложении 2.Анализ зависимостей кинетики процесса диффузии, представленных на рис.3.7, установил , что диффузия растворов через образец аргиллитовых пород происходит одновременно с выносом химически активного компонента породы (обменного кальция), причем количество вытесненного компонента зависит от состава и концентрации исходного раствора. Наибольшее вытеснение происходит при концентрации раствора хлористого натрия 10$ и 12,5$.
Анализ зависимостей позволил установить, что с течением вре мени вынос химически активного компонента породы увеличивается. Однако на 12-13 сутки происходит замедление процесса, а затем его уменьшение. На 18-20 сутки процесс выноса химически активного компонента породы в раствор заканчивается.
Установлено, что диффузия составных химически активных компонентов раствора через образец породы происходит неравномерно, и наблюдается отставание перемещения катионов от анионов, что фиксируется величиной Гг (2.4).
Результаты исследований показали, что со временем разность количества продиффундировавших химически активных компонентов раствора увеличивается. Это связано с проникновением раствора к обменным позициям породы. Так, в зависимости от концентрации раствора величина Гг возрастает: для раствора хлористого натрия Ь% - 6 суток; 10$ - 4 суток; 15$ и 20$ - 10 суток. После возрастания наблюдается небольшая стабилизация этой величины, вслед за чем происходит ее убывание. Такое убывание свидетельствует о том, что отставание в перемещении компонентов сокращается,и в конечном итоге межфазовое взаимодействие породы и раствора прекращается.
На основании определения концентраций химически активных компонентов раствора (катионов) в исходном до и после эксперимента, что, в частности, для раствора хлористого натрия ( 10$) сос + +тавило соответственно 39324 мг/л Л/а и 34700 мг/л Л/а , а также с учетом продиффундировавших за время эксперимента компонентов (ионов) - 1710 мг/л No. и вытесненного компонента (катиона) из породы установлено, что межфазовое взаимодействие при диффузии раствора через образец породы происходит в эквивалентной форме, т.е. Са2+ = 2/Уа+.
По вышеописанной методике по формуле 3.5 рассчитывался кажущийся коэффициент диффузии 8) . Расчет истинного коэффициента диффузии катионов Юи производился с учетом процесса межфазового взаимодействия по формулам (2,4-2. б) и (3.4-3.6).
Анализ результатов, представленных в приложении 2, позволил установить, что кажущийся коэффициент диффузии катионов исходного раствора находится в интервале значений 0,05»ПГ -I.72.I0"11 м2/с.
При концентрациях Ъ% коэффициент диффузии наибольший. Это связано с тем, что при данной концентрации межфазовое взаимодействие происходит недостаточно полно и химически активные компоненты раствора свободно передвигаются по капиллярам и порам породы, не испытывая торможения за счет обменных реакций. Наименьший коэффициент диффузии наблюдается в интервале концентраций 15-20$. Это объясняется тем, что при больших концентрациях раствора подавляется слой непрочносвязанной воды вокруг глинистой частицы, за счет которой в слабоводопроницаемнх аргиллитовых и глинистых породах осуществляется перемещение химически активного вещества [59].
Определение истинного коэффициента диффузии показало, что его значения превышают значения кажущегося коэффициента диффузии и составляют в целом по эксперименту 0,12 10 -3,59«10" м2/с.
Переход от кажущегося коэффициента диффузии к истинному позволяет установить закономерность передвижения химически активных компонентов раствора в породе с учетом их взаимодействия с химически активными компонентами породы. Этот переход между рассматриваемыми коэффициентами осуществляется при условии учета кинетики процесса и закона действия масс взаимодействующих компонентов.
Взаимосвязь процесса диффузии химически активных компонентов раствора в породе с процессом межфазового взаимодействия последних между собой характеризуется адсорбционно-диффузионным коэффи циентом К . Полнота и законченность межфазового взаимодействия характеризуется наибольшим значением данного коэффициента (17,8 сут""1), что соответствует диффузии раствора хлористого натрия 12,5$.
Таким образом, в результате изучения диффузии раствора хлористого натрия через образец аргиллитовых пород установлена закономерность протекания данного процесса во времени одновременно с межфазовым взаимодействием породы и раствора, который заканчивается на 18 сутки. (замораживание и оттаивание) аргиллитовых пород приводит к нарушению их связности, которая осуществляется за счет связанной воды. Это приводит к изменению таких физических параметров породы как гигроскопичность, молекулярная влагоемкость, пластичность и т.д. Б связи с этим удержание постоянного количества связанной воды в породе и предотвращение ее деформаций является задачей применения засоления породы.
Результаты исследований влияния засоления на процесс высыхания или удержания связанной воды в породах представлены в табл. 3.9. Количество связанно воды в образце учитывалось на основе изменения его веса. Кинетика изучения данного процесса, представленная на рис.3.8, позволила установить, что образцы пород, замоченные в водном режиме, высыхают на вторые сутки и в последующее время их вес не меняется. Повторное замачивание образцов приводит к их разрушению. Замачивание образцов в режиме засоления способствует увеличению времени высыхания до 9-Ю суток. Конечная поте
Испытание пород на срез со сжатием при различных углах наклона плоскости сдвига к направлению действия внешнего усилия
Задачей исследований является установить взаимосвязь параметров, определяющих устойчивость пород бора уступа (К , ) с заданным утлом откоса и изменения влажного состояния пород в результате обработки их раствором хлористого натрия.
Результаты исследований представлены в табл.4.2, на основании которых построена зависимость Т=/( ? ), представленная на рис.4.2 а.
Установлено, что при использовании угла наклона плоскости сдвига матрицы в 45 и 65 к направлению действия внешнего усилии сдвиговые деформации пород в зависимости от их разности начинаются при нормальных нагрузках, не превышающих структурную прочность пород, что соответствует наибольшим нормальным напряжениям для аргиллита-Са 6п = 7,20 10 Па, для глинизированного аргиллита-Са видетельствует о том, что нормальные (уплотняющие) напряжения не выполняют основную роль в разрушении структурного каркаса и сопротивление пород сдвигу обусловлено , в основном, сцеплением частиц породы между собой.
Анализ результатов показал, что образцы, обработанные раствором 12,5$ NaCB , увеличили параметры, входящие в уравнение 4.1. Так, коэффициент сцепления частиц увеличился в среднем у ар-гиллита-Са с 2,41-105 Па до 3,00 10 Па у аргиллита- Na ; для глинизированного аргиллита-Са с 1,84«105 Па до 2,62 10 Па у глинизированного аргиллита- Л/a . Обработка пород раствором способствует увеличению угла внутреннего трения пород в среднем по разностям соответственно с 20 до 23.
В соответствии с изложенным увеличились показатели прочности пород на сдвиг. Так, до засоления для глинизированного аргиллита-Са "= 2,42.10 Па, после обработки его раствором хлористого натрия для глинизированного аргиллита- Л/а Т= 4,31 105 Па.
Установлено, что после обработки образцов пород раствором изменения общей влажности пород, в основном, не происходит. Все показатели находятся в допустимом интервале We для средних значений X -%6 соответствующей разности пород. Однако, произошло увеличение гигроскопичности образцов VP (табл.4.2). Так, для изучаемых разностей аргиллитовых пород Vr увеличилась в среднем для аргиллита вскрытого массива на 13,3$, для глинизированного аргиллита на 20,0$.
Анализ полученных результатов позволил установить, что увеличение гигроскопичности породы при неизменных величинах общей влажности способствует повышению сдвиговых характеристик обработанных образцов (рис.4.2 б) за счет увеличения сил сцепления минеральных частиц породы между собой, что особенно наблюдается у - -глинизированного аргиллита (рис.4.2 в). Такое влияние Vr на Ксц увеличивается при переходе от уплотненных аргиллитов нетронутого массива соответственно к аргиллитам и глинизированным аргиллитам вскрытого массива.
Таким образом, обработка исследуемых разностей аргиллитовых пород концентрированным раствором хлористого натрия 12,5$ способствует при неизменных величинах общей влажности повысить гигроскопичность породы, тем самым увеличить сцепление минеральных частиц между собой и, как следствие, увеличить, прочность пород на сдвиг.
Полученные результаты исследований изучения влияния концентрированного раствора хлористого натрия 12,5$ на прочностные параметры аргиллитовых пород позволили установить повышение деформационных и прочностных характеристик пород, что связано с увеличением гидрофильности породы при неизменной величине общей влажности.
Повышение деформационных и прочностных характеристик пород в результате взаимодействия образцов с раствором хлористого натрия свидетельствует о повышении структурной прочности связей между частицами породы. Улучшение структурной прочности происходит за счет межфазового взаимодействия породы с раствором, в результате которого происходит образование более стабильных оболочексвязанной воды вокруг частиц (3.5). Межфазовое взаимодействие вы 2+зывает замещение химически активных компонентов породы (ионов Са)на химически активные компоненты раствора (ионы 2 Na ) и выделе-ние ионов Са "1" в микро- и ультрапоры и пустоты, что способствует увеличению связи между стенками каналов пустот. В то же время часть NaCK оседает на стенках проводящих каналов и пустот, вы полняя роль заполнителя.
Все вышеперечисленное приводит к уменьшению пористости и сжимаемости пород, а также увеличению показателя сцепления частиц между собой, что свидетельствует об увеличении сдвиговых характеристик обработанных раствором аргиллитовых пород.1. Исследование деформационных характеристик аргиллитовых пород показало, что в интервале давлений 1,0 10 ... 3,0 10 Па породы малосжимаемы. Однако после нарушения структурной прочности при компрессионной нагрузке 14,0 10 Па модуль осадки пород значительный и для глинизированного аргиллита достигает 76,0 мм/м.2. При вертикальной нагрузке до F стр относительная деформация аргиллитовых пород мала и носит упругий характер, что ха Q Орастеризуется модулем упругости ЕСТТ) = 1,02 10 -4,4-10 Па. При нарушении структурной прочности обнаруживается резкое снижение прочности пород и при F = 14,0-Ю5 Па Еобщ =0,I8-I08-0,77 I0%a.3. Обработка образцов аргиллитовых пород концентрированным раствором хлористого натрия 12,5% позволила повысить структурную прочность и улучшить деформационные характеристики пород. В ин-тервале исследуемых давлений 1,0 10 ...14,0 10 Па деформация аргиллитовых пород стала носить только упругий характер с ничтожно малыми значениями относительной деформации. При максимальных нагрузках относительная деформация составила 0,19-0,59%, модуль деформации 2,37 10 -7,20 108 Па, сжимаемость образцов практически отсутствует.4. Сдвиговые деформации пород в зависимости от их разности начинаются при нагрузках, не превышающих структурную прочность пород. Это свидетельствует о том, что сопротивление пород сдвигу
Похожие диссертации на Разработка метода повышения устойчивости бортов карьеров путем засоления вскрышных аргиллитовых пород
