Добыча и обработка природного камня

Крепкие горные породы

I

Информация о свойствах камня и ее использование на прак­тике существенным образом способствует повышению качества блоков, снижению потерь и отходов камня, уменьшению Трудо-

Затрат. В определении направлений наилучшей делимости камня решающую роль играет анализ ориентированной текстуры, ко­торая для каждого месторождения обусловлена закономерным расположением минералов. Разрушение породообразующих ми­нералов происходит только по определенным кристаллографи­ческим плоскостям. в зависимости от их положения относи­тельно направления действия нагрузки, а для гранитов такое разрушение обусловливается также еще и ориентировкой крис­таллических решеток кварца. При этом основным фактором раз­рушения являются растягивающие напряжения по определен­ному направлению.

Наиболее эффективный раскол достигается в том случае, когда плоскость раскалывания по направлению близка или сов­падает с плоскостью анизотропии, которая определяется на­правлением самой слабой спайности минералов, по которому и происходит наиболее легкий раскол камня, обеспечивающий его - монолитность, и минимальные неровности скола лицевых по­верхностей блока.

Наиболее слабая спайность минералов проявляется для лаб- радоритов и габбро-норитов между зернами плагиоклаза и пи~ роксена; для гранитов лезниковского типа — между зернами плагиоклаза и вытянутыми массами альбита; для кордиерито - вых гранитов типа жежелевских — между кристаллами плагио­клаза и кордиерита; для гранитов типа коростышевских, богу - славских, корнинских, янцевских— между зернами плагио­клаза и кварца, особенно в местах, где имеются включения биотита, и т. п.

Кварцсодержащие породы в большинстве случаев вклю­чают кварц не в виде отдельных разрозненных зерен, а в форме агрегатных соединений кристаллов кварца (сверхиндивидов), которым характерна пространственная ориентировка. По этой причине гранитам присущи две плоскости наилучшего раскола,, одна из которых параллельна плоскости сланцеватости и на­правлению линейности агрегатов зерен кварца, а вторая распо­ложена вертикально микротрещиноватости зерен кварца и сов­падает с направлением продольных трещий отдельности мас­сива.

Направления наилучшей делимости камня целесообразна определять петрографическим анализом по отобранным ориен­тированным образцам, либо методом химического травления непосредственно на массиве. Наилучший раскол камня для. всех гранитных месторождений и сходных с ним пород проис­ходя* по направлениям развития вертикальных продольных и горизонтальных пластовых трещин отдельности.

Таким образом, текстура пород имеет большое значение при выборе направлений раскола камня при его отделении от мае- ■. сива. Существует несколько типов текстур:

Однородная — минеральный состав и структура одинаковы во всех направлениях;

Трахитоидная — субпараллельное расположение таблитча­тых кристаллов полевых шпатов;

Такситовая — неодинаковый минеральный состав или струк­тура в пределах различных участков породы;

Гнейсовидная — субпараллельное расположение элементов строения породы, причем чаще всего рассматривается ориен­тировка темно-цветных минералов;

Линейная — субпараллельное расположение призматических или столбчатых минералов;

Директивно-полосатая — субпараллельные слои в породе, имеющие различную мощность и минеральный состав.

Результаты исследований с применением метода химиче­ского травления показали, что в гранитах кварц содержится в виде удлиненных неправильной формы агрегатов зерен, име­ющих пространственно-линейную ориентировку. Полученные данные, свидетельствуют о том, что именно линейная текстура, в отличие от однородной и гнейсовидной, является наиболее характерной для гранитов и обусловлена субпараллельным рас­положением сверхиндивидов кварца. Обнаруженная закономер­ность в расположении агрегатов кварца позволяет привести убедительные доказательства в пользу того, что граниты сле­дует относить к существенно анизотропным породам, Степень удлиненности и ориентированности агрегатов кварца определяет степень анизотропии механических и физических свойств гра­нитов. Естественно, что в. плоскостях, перпендикулярных и па­раллельных направлению линейности сверхиндивидов, имеется значительная разница з поверхностной плоскости распределения кварцевых зерен. Следовательно, всегда будут соблюдаться различия в сопротивляемости гранитов резанию или раскалы­ванию в направлениях перпендикулярном и параллельном ли­нейности сверхиндивидов кварца. Правильное представление

О структуре гранитов имеет большое значение при изучении механизма их разрушения в случае приложения механических или взрывных квазистатических нагрузок. Особенно важными являются структурные особенности гранитов, обусловленные взаимоотношением минеральных зерен в объеме породы. Рас­сматривая пространственное взаимоотношение зерен минера­лов, следует отметить, что наиболее характерной для гранитов принято считать гипидиоморфнозернистую структуру, отличи­тельной чертой которой является частичное проявление хорошо ныраженных кристаллографических очертаний у темно-цветных минералов и полевых шпатов: Среди других, менее широко .распространенных в гранитах типов структур, нет ни одной, которая бы базировалась на признаке. группового распределе­ния зерен кварца в составе данной. породы. С целью учета группового распределения зерен кварца в объеме породы необ­ходимо ввести в число характерных для гранитов гломеробла - стовую структуру, отличительной чертой которой является распо­ложение минералов в виде отдельных групп. Известно, что гло - меробластовая структура характерна для метаморфических горных пород. Тем не менее, обнаруженный факт группового распределения кварца в составе гранитов обязывает считать характерной для них гломеробластовую структуру.

Выполненные в ДГИ микроструктурные исследования Ян- цевских, Кудашевских, Кор ни неких и Капустинских гранитов, показали, что направление преимущественной ориентировки оптических осей кварцевых зерен не согласуется с направле­нием линейности сверхиндивидов кварца, и не может влиять на его прочностные свойства, анизотропию свойств и механизм разрушения гранитов и других подобных пород.

Поэтому наибольший практический интерес имеют про­странственные распределения и степень раскрытости естествен­ных микротрещин в горных породах.

Естественная микротрещиноватость в гранитах может быть открытой, т. е. микротрещины не заполнены никаким минераль­ным веществом. Открытая микротрещиноватость появилась в гранитах на более поздних этапах формирования интрузив­ного массива. Микротрещины, которые образовались в ранней стадии развития массива, залечивались постмагматическими растворами. Под светооптическим микроскопом их можно уви­деть при увеличениях в 50—200 раз как плоскости,, содержа­щие газово-жидкие включения,— например, так называемые пузырьковые микротрещины в зернах кварца. В том случае, когда залечивание микротрещин прошло без газово-жидких включений, увидёть их под светооптическим микроскопом не­возможно. Необходимо отметить, что плоскость залегания мик­ротрещины является ослабленным местом в данном минераль­ном зерне, так как она характеризуется очень высокой плот­ностью концентрации краевых дислокаций кристаллической решетки. Залеченные микротрещины, не содержащие включе­ний, могут быть исследованы специальными методами электрон­ной микроскопии. Открытую естественную микротрещинова­тость в гранитах наиболее целесообразно изучать при помощи петрографических свето-оптических микроскопов или посред­ством применения способа фотолюминесцентной дефекто­скопии.

Исследованиями, выполненными в ДГИ, установлено, что - пузырьковые микротрещины распределены в кварцевых зернах в составе гранитов закономерно и ориентированы субпарал­лельно плоскости Я, которая имеет строго определенную и ста­бильную ориентировку в пространстве в пределах изучаемого участка карьерного поля. ■

Проведенные экспериментальные и теоретические исследо­вания механизма разрушения гранитов с учетом их структур­ных и текстурных особенностей позволили установить, что* в случае приложения взрывных квазистатических нагрузок на - , правление наилучшего раскола в монолитном массиве совпа­дает с направлением преимущественной ориентировки пузырь­ковых микротрещин в зернах кварца, т. е. с плоскостью /?. Прю воздействии на массив взрывных динамических нагрузок на­правление минимальной энергоемкости дробления совпадает' с направлением преимущественной ориентировки сверхиндиви­дов кварца.

Анализ данных об анизотропии прочностных свойств грани­тов показывает, что прочность гранитных образцов при одно­осном сжатии в направлении линейности сверхиндивидов кварца на 30—80 % больше, чем в направлении, перпендику­лярном линейности. Такой большой разброс разницы значений прочности зависит прежде всего от степени удлиненности - и ориентированности сверхиндивидов. Известно, что в зависимо­сти от прочностных свойств устанавливается категорийность данной горной породы, поэтому для гранитов следует опреде­лять их сопротивляемость одноосному сжатию в соответствии с ориентировкой сверхиндивидов кварца. Если при определении в лабораторных условиях прочности разрабатываемых данным предприятием гранитов образцы были раздавлены на прессе в направлении, перпендикулярном (близкому к нему) линей­ности сверх индивидов кварца, то в этом случае будут установ­лены явно заниженные нормы времени на выполнение единич­ного объема работ. Естественно, что возможны совершенно про­тивоположные по своим последствиям случаи неправильного определения прочностных свойств гранитов разрабатываемого месторождения. Например, для гранитов Янцевского место­рождения поверхностная плотность распределения кварца в значительной мере зависит от ориентировки поверхности по отношению к направлению линейности сверхиндивидов. В част­ности, для данного месторождения в плоскости, перпендикуляр­ной линейности, содержится 23 % кварца, а в плоскости, па­раллельной линейности и сланцеватости —21 %; в плоскости,, параллельной линейности, но перпендикулярной сланцеватости— 26%. Как правило, плоскость, параллельная линейности и слан­цеватости, расположена параллельно поверхности кровли от­деляемого от массива блока. Если принять для гранитов Янцев­ского месторождения содержание кварца в плоскости кровли блока за 100 %, то в вертикальных плоскостях, перпендикуляр­ных линейности сверхиндивидов, содержится на 9,6 ъ больше кварца, а в вертикальных плоскостях, параллельных линейности, кварца больше на 23,8%. Столь значительная разница распределения кварцевых зерен в поверхностной пло­скости оказывает большое влияние на эффективность взрывной отбойки.

Основываясь на приведенных данных, можно сделать вы­вод, что поверхностная плотность распределения кварцевых зе­рен играет очень важную роль. Поэтому проходка врубовых щелей на карьера? штучного камня в направлении, перпендику­лярном линейности сверхиндивидов кварца, обеспечивает сни­жение энергозатрат и повышение производительности работ. При этом, если врубовые щели будут пройдены перпендику­лярно линейности агрегатов кварцевых зерен, направление линии расположения шпуровых зарядов окажется ориентирован­ным параллельно линейности сверхиндивидов, т. е. вдоль на­правления минимальной энергоемкости дробления при взрыв­ном нагружении.

Следовательно, предприятие, ведущее добычу гранитных монолитных блоков может значительно повысить эффективность работ без изменения технологии добычи и величины капиталь­ных затрат только путем правильного выбора направлений про­ходки врубовых щелей и ориентировки линии шпуровых заря­дов при взрывном способе отделения монолитов от массива.