EFFECT OF DYNAMIC LOAD ON THE FORMATION OF MICROFRACTURING IN GRANITE

Мясникова О.В.

Кандидат технических наук, ФГБУ Институт геологии Карельского научного центра Российской академии наук

ВЛИЯНИЕ ДИНАМИЧЕСКОЙ НАГРУЗКИ НА РАЗВИТИЕ МИКРОТРЕЩИНОВАТОСТИ В ГРАНИТАХ

Аннотация

В статье исследовано влияние динамических взрывных нагрузок на развитие микротрещиноватости в гранитах. Показаны изменения параметров микротрещиноватости в граните in situ и после взрывного динамического воздействия. Установлено, что микротрещиноватость горных пород в естественных условиях и после динамических взрывных нагрузок характеризуется изменением концентрации микротрещин по их размерам, обусловленной статистическими закономерностями распределения неоднородностей и поуровневым слиянием и укрупнением микротрещин. Проведенные исследования могут быть использованы в качестве методической основы для проектирования технологии добычи блочного камня на месторождениях гранита.

Ключевые слова: блок горной породы, взрывные динамические нагрузки, микротрещиноватость.

Myasnikova О.V.

Cand.Sc. (Tech.), Institute of Geology, Karelian Research Centre, Russian Academy of Sciences

EFFECT OF DYNAMIC LOAD ON THE FORMATION OF MICROFRACTURING IN GRANITE

Abstract

The effect of dynamic blasting loads on the formation of microfracturing in granite is discussed. Changes in microfracturing parameters in granite in situ and after blasting dynamic loads are shown. It has been found that the microfracturing of rocks under natural conditions and after dynamic blasting loads is characterized by changes in the concentration of microfractures by their size, which is due to the statistical distribution of heterogeneities and the lit-par-lit coalescence and enlargement of microfractures. The study conducted can provide the methodical basis for developing dimension stone quarrying technology on granite deposits.

Keywords: rock block, blasting dynamic loads, microfracturing.

Массивы горных пород в естественных условиях имеют скрытые внутренние напряжения, которые вызывают развитие многочисленных дефектов структуры. При воздействии на горную породу разнообразных по своей физической природе внешних нагрузок на первом этапе происходит накопление микротрещин. В достаточно малом объеме накопление происходит вплоть до значений n, близких к критическому n* [1]. После достижения критической концентрации микротрещин n* начинается их слияние с образованием трещин большей длины, дальнейшее приложение нагрузки вызывает накопление критических концентраций трещин более высокого диапазона длин, что приводит к ускоренному дефектообразованию и зарождению микротрещин следующего иерархического уровня. В работах [2] было установлено, что разрыв характеризуется определенной концентрацией трещин n^*, зависящей лишь от их регистрируемого размера l.

,

где величина n^* устанавливает предел объемного трещинообразования, l — размер трещин, К₁ — концентрационный коэффициент.

Процесс может прерваться при концентрации n₀<n₁<n*, где n₀ - природная концентрация. При последующем воздействии на горную породу роль начальной концентрации играет не n₀, а n₁. При этом необходимо создать меньшую дополнительную трещиноватость для достижения концентрации n*, т. е. прочность среды уменьшится.

Отбойка блоков из прочных скальных пород преимущественно осуществляется буровзрывным (БВ) способом. При этом в скальном массиве, под действием взрыва взрывчатого вещества (ВВ), происходит разрушение горной породы в результате совокупного действия расширяющихся продуктов взрыва (газов), детонации, ударных волн (трансформирующихся в волны напряжений по мере удаления от заряда) и волн разгрузки. Если абсолютная величина волны напряжения выше некоторого предела прочности породы, то возникают или сдвиги одних частей выделенного малого объема относительно других, или отрыв их друг от друга. В первом случае могут развиваться пластические деформации или сколы, во втором - хрупкое разрушение [3].

Исследование динамических нагрузок на изменение параметров микротрещиноватости проводилось на месторождении плагиомикроклиновых гранитов оптическим методом.

Изучаемый блок имел следующие параметры: длина L_а — 6,30 м, ширина B_а — 3,10 м, высота H_а — от 1,70 до 6,0 м и был обурен со стороны забоя 10 шпурами с расстоянием между центрами шпуров а_шп = 0,26 м и диаметром шпура d_шп = 42 мм. Для откола блока применялось ВВ марки ДШ 2^е нити: плотность заряда — 1,3 г/см³, скорость взрывчатого превращения 6,5 – 7,2 км/с, теплота взрыва 5650 кДж/кг, диаметр заряда — 5,8х2 мм на всю длину шпура с радиальным воздушным зазором – 15,2 мм (l_зар. ~ 11 м). Инициирование проводилось одной ниткой ДШ сверху. От шпура № 2 согласно схеме (рис.1) были отобраны образцы керна диаметром 30 мм и длиной 100 мм до и после взрывного воздействия на породу.

Из керна изготавливались толстые срезы с нанесением маркировки и направления действия волны напряжений для определения параметров микротрещиноватости.

Рис. 1 - Схема отбора образцов (R - радиус шпура)

Конечным результатом исследования являлось определение изменения концентрации микротрещин на различных расстояниях от центра заряда при взрывных нагрузках (рис. 2).

Рис. 2 - Характер изменения средней концентрации микротрещин до и после взрывного воздействия на гранит

При взрывном воздействии на гранит в зоне непосредственной близости от заряда (до 6,5 R_о), которая характеризуется высокими сжимающими напряжениями, наблюдается значительное (в 2 раза) увеличение концентрации микротрещин. Согласно концентрационному критерию прочности, наибольшие напряжения формируются вблизи заряда, там же развивается и наибольшее количество трещин, что подтверждается результатами измерений. На рис. 3 представлено распределение концентрации длин микротрещин по размерам по мере удаления от центра шпура.

Рис. 3 - Распределение концентрации микротрещин в зависимости от их длины на различных расстояниях от центра шпура

При распределении микротрещин по размерам (рис. 3) в ближней зоне от центра заряда порядка 84% концентрации микротрещин приходится на диапазон от 0,10 до 0,35 мм. Трещины такого размера не превышают размеров минеральных зерен, и, как правило, начинаются от границ срастания зерен и распространяются внутри зерна. Ориентировка таких микротрещин совпадает с конфигурацией поля напряжений в породе.

На графиках рис. 3 наблюдается положительное асимметричное распределение с выполаживанием кривой в сторону наибольших значений, следовательно, распределение микротрещин по размерам подчиняется логарифмически нормальному закону. Для природных микротрещин наблюдается положительный эксцесс (Е_пр. — 0,86), т.е. график приобретает относительно остроконечное распределение по сравнению с нормальным распределением. После взрывного воздействия на горную породу эксцесс отклоняется в сторону отрицательных значений (Е_2,4Ro — 1,78; Е_35,5Ro — 0,96), и кривая распределения становится плосковершинной по отношению к нормальному распределению. Это подтверждает факт накопления характерного диапазона длин микротрещин, присущих данному типу горной породы.

С учетом концентрационного критерия прочности, именно накопление микротрещин данного диапазона при условии n_l ³ n_кр. будет определять разрушение горной породы.

Результаты исследования показали, что микротрещиноватость горных пород в естественных условиях и после динамических взрывных нагрузок характеризуется изменением концентрации микротрещин по их размерам, обусловленной статистическими закономерностями распределения неоднородностей и поуровневым слиянием и укрупнением микротрещин.

Проведенные исследования могут быть использованы в качестве методической основы для проектирования технологии добычи блочного камня на месторождениях гранита.

Литература

1. Журков С. Н., Куксенко В.С., Петров В.А. и др. Концентрационный критерий объемного разрушения твердых тел / Физические процессы в очагах землетрясений. М.: Наука, 1979. – С. 78-86.
2. Садовский М.А. Избранные труды: Геофизика и физика взрыва / Отв. ред. В.В. Адушкин. – М.: Наука, 2004. – 440 с.
3. Волны напряжений в обводненном трещиноватом массиве: Учеб. пособие / Боровиков В.А., Ванягин И.Ф., Менжулин М.Г., Цирель С.В. – Л.: Ленинградский горный институт, 1989. – 83 с.