ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ ПЛАСТИЧНЫХ ГОРНЫХ ПОРОД

Рахимов З.Р.

Кандидат технических наук, и.о. доцента Рудненский индустриальный институт

ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ ПЛАСТИЧНЫХ ГОРНЫХ ПОРОД

Аннотация

В статье рассмотрена методика определения основных свойств пластичных горных пород. Предложенная методика обеспечивает разделение общего сцепления на структурное сцепление и связность, что позволяет более точно определять устойчивость откосов карьеров и отвалов, а также естественных склонов имеющих аналогичное строение.

Ключевые слова: сцепление, деформация, оползень, карьерный откос, пластичные глинистые породы

Rakhimov Z.R.

Ph.D., Acting Associate Professor Rudnenskii Industrial Institute

INVESTIGATION OF PLASTIC ROCK

Abstract

In this article we have reviewed the method of determining the basic properties of the plastic rocks. The proposed method enables the separation of the total adhesion to the structural cohesion and coherence, that can more accurately determine the slope stability pits and dumps, as well as natural slopes have a similar structure.

Keywords: cohesion, landslide, strain, quarry of slоре, clay plastic rocks

Оценку устойчивости открытых горных выработок, в некоторых случаях, целесообразно определять с учетом фактора времени, так как уровень деформируемости горных пород зависит не только от геологических и горнотехнических условий. На устойчивость открытых выработок существенное влияние оказывают продолжительность процессов ползучести и релаксации слабых горных пород и пород средней крепости (аргиллиты, каменная соль, песчанистые сланцы, глины и др.), так как данные горные породы, в отличие от классических упругих и сыпучих сред обладают реологическими свойствами: ползучестью (деформирование во времени под действием постоянной нагрузки), релаксацией (снижение напряжения при постоянной деформации), длительной прочностью (изменение прочностных свойств горных пород при длительном действии постоянной нагрузки). Исследования [1] доказывают, что горные породы по характеру деформирования подразделяются на два типа: породы, характеризующиеся затухающей деформацией (аргиллиты, песчанистые сланцы и др.) и породы, характеризующиеся постоянной скоростью деформирования (глинистые породы). Также установлено [2], что для горных пород существует нижняя граница разрушающих напряжений (предел длительной прочности). Горные породы уплотняются и упрочняются, если напряжения, ниже границы разрушающей нагрузки и разуплотняются и разрыхляются, если напряжения превышают указанную границу. Не маловажное значение имеют факторы оказывающие влияние на изменение реологических свойств для второго типа пород. Установлено, что скорость ползучести увеличивается при повышении атмосферного давления [3]; повышении температуры с 20ºС до 30ºС в два раза [4]; циклическом изменении температуры в два раза [5]; повышении влажности от двух до девяти раз [6]; при принудительной фильтрации воды через горную породу [7].

В связи с тем, что на карьерах Востоячно-Аятского месторождения бокситов (АО «Алюминий Казахстана») произошел ряд оползней, в данном исследовании предпринята попытка определения реологических свойств чеганских выветренных глин, формирующих верхний горизонт Восточно-Аятского месторождения бокситов. Оползневым явлениям на рассматриваемых карьерах были подвергнуты откосы, которые в течение нескольких месяцев находились под нагрузкой внешних прибортовых отвалов.

В работе [8] приведены результаты исследования по оценке влияния реологических свойств на устойчивость откосов горных выработок и даны рекомендации по управлению состоянием массива с учетом времени размещения отвалов в приоткосной зоне.

В данной работе проводится оценка реологических свойств глинистых пород, слагающих откос верхний горизонт карьера № 6 Восточно-Аятского месторождения бокситов на основе методики «испытаниями по плашкам», предложенной Н. Н. Масловым, с учетом влажности материала. Данный подход позволяет разделить силы сцепления на структурную составляющую, не зависящую от влажности, и связность, которая изменяет свое значение от степени увлажненности. Результаты проведенных исследований приведены на рисунке 1.

 «Испытания по плашкам» позволяют определить остаточное сцепление (связность), так как испытываются образцы по подготовленной плоскости скольжения, то есть имитируется ситуация деформированного глинистого откоса, который удерживается в состоянии равновесия за счет сил остаточного сцепления.

Сравнение паспортов прочности полученных классическими быстрыми сдвигами в сдвиговом приборе и графика связности полученного «методом плашек» позволяет построить график структурного сцепления в зависимости от нормальной нагрузки и влажности чеганских выветренных глин (рис. 2).

График наглядно показывает, что с увеличением нормальных нагрузок у чеганских выветренных глин разрушается структура, и структурное сцепление резко снижается до значений, соответствующих прочности глинистых обломков и чешуек. Влажность глин значительно влияет на величину структурного сцепления, которое уменьшается с увеличением влажности породы. 
На основе результатов исследования, полученных «методом плашек» построен график зависимости остаточного угла внутреннего трения чеганской выветренной глины нарушенной структуры от ее влажности (рис. 3). На основе данного графика можно сделать заключение, что влажность оказывает существенное влияние на остаточное значение угла внутреннего трения, которое достигает своего максимума при влажности 22÷23 %. 

Из рисунков 1 и 2 видно, что при нарушении структуры глинистые породы обладают остаточным сцеплением (связностью) (с=0,0125÷0,045 МПа) и незначительным углом внутреннего трения (φ=1,0÷2,0^о). Данной особенностью чеганских выветренных глин объясняется возможность длительных реологических процессов в рассматриваемых породах.  

В дальнейших исследованиях реологических свойств пластичных глин целесообразно учесть изменение основных упругих параметров пород во времени и оценить степень устойчивости откосов открытых горных выработок с учетом этих изменений. Для этих целей необходимо экспериментальные кривые ползучести (ε=f(t)) представить в виде графиков ползучести во времени t:

.

Полученные зависимости позволят сопоставить проявление реологических свойств различных горных пород, а также использовать в расчетах устойчивых параметров открытых горных выработок. Переменные модули основных упругих постоянных определяются согласно [9]. Функция ползучести также можно определять через константы α и δ согласно [10].

В результате проведенных испытаний установлено, что глинистые породы обладают низкой прочностью (φ, с) и имеют ярко выраженные пластические свойства, которые проявляются при увеличении влажности и под действием внешней нагрузки. В связи с этим можно заключить, что глинистые породы, перешедшие в пластическое или текучее состояния выполняют роль слабого слоя, который предопределяет устойчивость откоса в целом.