книги из ГПНТБ / Григорович, М. Б. Минеральное сырье для промышленности строительных материалов и его оценка при геологоразведочных работах

Крупный заполнитель, предназначаемый для приготовления гидротехнического бетона зоны переменного горизонта, при ис­ пытании его на морозостойкость раствором сернокислого натрия, после 10 циклов не должен обнаруживать потерю в массе каждой фракции более 5%.

Заполнители бетона, предназначаемого для изготовления желе­ зобетонных напорных труб, должны изготовляться из горных по­ род с пределом прочности при сжатии, в насыщенном водой состоянии, не ниже 1800—2000 кгс/см2. Кроме того, заполнители должны иметь разнообразную форму зерен и неокатаниую по­ верхность.

На горные породы, предназначенные для получения бута, суще­

На мраморную крошку как заполнитель для декоративных бе­ тонов и мозаичных плит, получаемую путем измельчения мрамора, существуют технические условия МПСМ РСФСР (21—01—313— 69). Согласно этим ТУ крошка делится на разноцветную и одно­ цветную, а по размерам на крупную 5—10 мм; 10—20 мм; 20— 40 мм и мелкую 5—2,5 мм; 0—2,5 мм. Физико-механические пока­ затели исходной породы должны отвечать следующим требова­ ниям: предел прочности при сжатии для декоративных бетонов и мозаичных плит — не менее 400 кгс/см2. Водопоглощение — для декоративных бетонов не более 6%, для мозаичных плит — по со­ глашению с заказчиком. Испытания на истирание в полочном

в зависимости от назначения. Количество глинистых и пылеватых частиц — не более 3%.

Разработка месторождений штучного и особенно облицовоч­ ного камня имеет следующие особенности (Мельников, 1962): 1) необходимость сохранить при добыче основные показатели камня (блочность, декоративность); 2) использование специальных методов отделения блоков от забоя; 3) применение специальных средств механизации отбойки, погрузки и транспортировки камня;

4) комплексное использование отходов; 5) применение особых ва­ риантов систем разработок и способов вскрытия месторождения.

Крупные месторождения облицовочного камня разрабатыва­ ются карьерами, почвоуступной системой, горизонтальными сло­ ями, сверху вниз. Глубина карьера обычно не превышает 30— 50 м, изредка больше. Бризантные взрывчатые вещества для раз­ работки штучного камня вообще не применяются. На карьерах гранита, а также мрамора иногда применяют порох для отделе­ ния крупных блоков от забоя.

Большая сохранность камня достигается при использовании способов отделения блоков без взрывчатых веществ, с помощью различных механизмов или клиньев.

На гранитных карьерах используют ударно-врубовые машины (чаннелеры), клиновые работы, и в последнее время специальные горелки (термический способ).

Для разработки мрамора используют камнерезные машины различных конструкций (Столярова, Галанина) и канатные пилы.

Разработку месторождений пильного камня при большой глу­ бине залегания производят с помощью подземных выработок (штолен), с применением камерно-галерейной системы разрабо­ ток. Такой метод широко применяется в Молдавии на месторож­ дениях известняков. Существенным недостатком этого метода яв­ ляются большие потери в недрах, достигающие 80—85%. Для добычи применяют камнерезные машины различных конструкций. Большое значение для повышения рентабельности разработок штучного камня имеет использование отходов, количество которых достигает значительной величины. Так, для одного из крупных гранитных карьеров в ГДР приводятся следующие цифры выхода продукции:

Примерно такое же соотношение видов продукции имеет место и на ряде наших карьеров.

Выбор рациональной системы эксплуатации месторождения камня для получения щебня определяется совместным технико­ экономическим анализом вариантов систем разработки и техноло­ гических схем переработки сырья (Шлаин, 1968). При неоднород­ ном составе пород месторождения или при наличии значительного количества загрязняющих примесей выделяют участки, сложен­ ные породами разного состава с раздельной их отработкой. При невозможности выделения слабых или загрязненных пород в про­ цессе разработки это осуществляется на дробильно-сортировочной фабрике.

На месторождениях карбонатных пород, разрабатываемых для получения щебня, высота уступов колеблется от 4 до 20—25 м, при преобладающей высоте 6—10 м.

114

Горную породу, добытую в карьере, перерабатывают на ще­ бень нц дробнлы-ю-сортировочной фабрике путем ее дробления и

целью обеспечить (Шлаин, 1968):

1. Выпуск щебня, требуемого качества по прочности п другим показателям, отвечающим требованиям ГОСТ.

2. Максимально возможный выход щебня из горной массы.

3.Выпуск щебня установленного ассортимента.

4.Максимально возможное использование сырья.

5.Минимально возможную себестоимость получаемой продук­

ции.

Строительная промышленность предъявляет все более высокие требования к качеству щебня как заполнителя бетона, так как повышение прочности щебня позволяет повысить марку бетона,

а это удешевляет строительство.

Месторождения высокопрочного камня в ряде районов отсут­ ствуют, что вынуждает промышленность затрачивать значительные средства на завоз большого количества прочного камня из отда­ ленных районов (до 15—20 млн. м3 в год). С целью снижения расходов на дальние перевозки высокопрочного камня разрабо­ таны и начинают применяться способы выделения из щебня, по­ лучаемого из пород различной прочности, наиболее прочных. Эти способы основаны на использовании различных физико-механиче­ ских свойств камня разной прочности (объемный вес, упругость).

При обогащении, основанном на различии объемных весов, слабых (более легких) и крепких (более плотных) пород, приме­ няются установки, где в качестве средств для разделения исполь­ зуются тяжелые суспензии, приготовленные из тонкоизмельченного магнетита, или ферросилиция и воды. На разности объемных ве­ сов основан и способ обогащения методом отсадки. Обогащение происходит путем расслоения щебня по объемному весу в пуль­ сирующем токе воды. Этим способом удается повысить содержа­ ние прочных зерен щебня до 90%.

Другой метод разделения щебня основан на различии свойств упругости и трения зерен разной прочности. Прочные зерна обла­ дают более высокой упругостью и меньшим коэффициентом тре­ ния, чем слабые. Разделение щебня происходит в процессе его падения на вращающийся стальной или чугунный барабанный разделитель. Содержание слабых зерен при применении этого спо­ соба снижается с 31,9 до 6%.

По приуроченности к различным структурным элементам зем­ ной коры среди месторождений строительного камня можно вы­ делить следующие группы:

I. Месторождения платформы; а) месторождения выступов древнего кристаллического фундамента (кристаллических щитов); б) месторождения осадочного чехла платформ.

II. Месторождения складчатых областей.

Каждая из этих групп характеризуется определенным составом слагающих ее пород, хотя многие породы встречаются не только в одной группе. Различны также степень метаморфизма пород и их физико-механические свойства.

I. Месторождения платформ

Месторождения кристаллических щитов. Горные породы, сла­ гающие нижний ярус древних платформ, в значительной части относятся к первично-осадочным и вулканогенным формациям геосннклинальиого типа, отражающим существовавший ранее здесь режим. Эти породы пронизаны многочисленными интрузи­ ями, интенсивно дислоцированы и подверглись глубокому мета­ морфизму.

Месторождения метаморфических пород представлены мрамо­ рами, кварцитами и кристаллическими сланцами. Образование месторождений этих пород связано главным образом с процессами регионального метаморфизма при участии во многих случаях и контактового. Мраморы часто окварцовапы, доломитизированы и будинированы, как, например, месторождения Карелии (Белогор­ ское). Месторождения кварцитов сравнительно редки, но отлича­ ются высокими физико-механическими и декоративными свойст­ вами (Шокшпнское месторождение в Карелии). К выступам на земную поверхность кристаллического основания древних плат­ форм приурочены многочисленные месторождения высокопрочных интрузивных пород (главным образом гранитондов). На Русской платформе такими районами являются Балтийский щит и Укра­ инская кристаллическая полоса, на Сибирской платформе — Ал­ данский щит и Анабарский кристаллический массив. Граниты залегают в форме батолитов, штоков, а также иногда в виде глыб среди молодых образований и образуют крупные месторождения с высокими физико-механическими показателями. Наибольшее промышленное значение имеют месторождения гранитов Карелии, Ленинградской области и Украины, на которых добывается значи­ тельная часть облицовочного и высокопрочного дробленого камня. На месторождениях гранита этого типа получают очень крупные блоки (до 50—100 м3 и более).

Среди интрузивных пород щитов известны также промышлен­ ные месторождения высокодекоративных щелочных пород (хнбиниты Кольского полуострова) и месторождения габбро-норитов, из которых наиболее ценными декоративными качествами обладают ирригирующие лабрадорнты Украины. Интрузивные породы, при­ уроченные к древним кристаллическим щитам, обладают обычно более высокими физико-механическими показателями и меньшей трещиноватостью по сравнению с интрузивами складчатых обла­ стей.

Месторождения осадочного покрова платформ (платформен­ ных плит). К этой группе относятся месторождения главным об­

116

разом осадочных пород — известняков, доломитов и гипсов, а также эффузивов (траппы Сибирской платформы).

Осадочные породы по своим физико-механическим показателям значительно уступают породам кристаллических щитов и геосннклинальных областей, так как они не подвергались воздействию глубокого метаморфизма, и их свойства обусловлены главным об­ разом процессами диагенеза и катагенеза. Среди пород осадоч­ ного покрова платформ высокопрочные разности встречаются редко и они обычно характеризуются изменчивыми физико-меха­ ническими показателями. Промышленное их использование огра­ ничивается в основном переработкой на щебень как заполнитель бетона невысоких марок и частично (пористые разности известня­ ков и доломитов) — как стеновой камень.

На Сибирской платформе наряду с осадочным комплексом по­ род широко развиты основные эффузивные породы (траппы), пригодные для получения главным образом щебня.

В южных районах широко распространены неогеновые извест­ няки-ракушечники, являющиеся благодаря низкой теплопроводно­ сти высокосортным стеновым пильным камнем.

II.Месторождения складчатых областей

Кэтой группе принадлежит большое число месторождений камня как метаморфического, так изверженного и осадочного про­ исхождения.

Из метаморфических пород наибольшее практическое значение имеют месторождения мраморизованных известняков и мраморов, которые отличаются большим разнообразием расцветок и рисун­ ков.

Среди этих месторождений выделяются сформировавшиеся в условиях как контактного, так и регионального метаморфизма.

Практически вся мраморная промышленность Советского Со­ юза базируется на месторождениях мрамора и мраморизованного известняка складчатых областей. Значительное распространение имеют также и месторождения изверженных пород, главным об­ разом кислого состава и в первую очередь гранитов. Меньшее зна­ чение имеют месторождения сиенитов, диоритов, а также дунитов и других пород.

Физико-механические свойства пород кристаллических щитов и геосинклинальиых областей несколько отличаются. Граниты гео­ синклиналей отличаются от гранитов щитов несколько повышен­ ной пористостью, но среди них встречаются разности, обладающие и резко пониженной прочностью. Так, цилукамские нижнепалео­ зойские граниты при нормальной пористости имеют пониженную

ков, 1961). Такое снижение прочности видимо связано с внутрен­

117

ними изменениями, которые претерпели граниты в процессе раз­ вития синклиналей.

В складчатых областях также значительно распространены ме­ сторождения осадочных пород — известняков, доломитов и песча­ ников, разрабатываемых для получения строительного камня. Из-за большей степени метаморфизацин по сравнению с осадоч­ ными породами чехла платформы они обладают более высокими фпзико-механпческпмн свойствами. Так, карбонатные породы гео­ синклиналей имеют в среднем пористость в 17 раз меньшую, чем у платформенных пород. С областями кайнозойской складчатости связаны многочисленные месторождения пирокластических пород (вулканических туфов), среди которых наибольшую практическую ценность имеют месторождения Армении. Все месторождения строительного камня, несмотря на многообразие условий их обра­ зования, можно объединить следующим образом:

Г р у п п а I. Крупные массивы изверженных пород (батолиты, штоки, лакколиты) характеризуются выдержанностью состава и качества камня по площади и на глубину. Месторождения этой группы приурочены главным образом к районам выхода на поверх­ ность кристаллического фундамента платформ, а также к складча­ тым зонам.

Сложены они в основном, интрузивными породами — грани­ тами, диоритами. В массивах этих пород иногда наблюдаются вто­ ричные изменения, вызванные поверхностным выветриванием, а также внутренние зоны измененных пород, возникающие под влиянием тектонических нарушений и гидротермальных воздей­ ствий.

Г р у п п а И. Пласты и пластообразные тела, выдержанные по мощности и качеству и залегающие горизонтально или с неболь­ шим наклоном. К этой группе относится большое количество ме­ сторождений строительного камня осадочного происхождения ■— известняков, доломитов, песчаников. К этой же группе нужно от­ нести и месторождения, образованные покровами эффузивных пород — базальтов, вулканических туфов, а также некоторые ме­ сторождения, сложенные метаморфическими породами (мрамо­

падающие под крутыми углами или с изменчивым качеством и мощностью. Генетически они аналогичны месторождениям II груп­ пы, но отличаются более сложными условиями залегания и измен­ чивым качеством. Эта изменчивость обусловлена или сменой усло­ вий накопления осадков, или вторичными процессами, вызываю­ щими изменения качества и условий залегания камня. Вторичные процессы, как, например, карстообразование, развивающееся глав­ ным образом на карбонатных породах, иногда настолько изме­ няют первоначальные условия залегания и строение пород,

•слагающих месторождение, что делают его непригодным для

118

эксплуатации. Сводная геолого-промышленная классификация месторождений строительного камня приведена в табл. 63.

При изучении месторождении облицовочного и строительного камня наибольшее значение имеет определение его физико-меха­ нических свойств. Остальные показатели обычно имеют подчинен­ ные значения. Выше приводились требования, предъявляемые дей­ ствующими ГОСТ на различные виды строительного камня и из­ делия из него.

Однако для полной оценки физико-механических свойств камня

поднят вопрос о необходимости определения стойкости облицо­ вочного камня по отношению к воздействию газов, содержащихся а атмосфере.

При проведении геологоразведочных работ на облицовочный камень пробы для определения физико-механических свойств отби­ раются по всем выработкам в большом количестве и подвергаются как полным, так и сокращенным испытаниям. Для полных испыта­ ний отбирается по 5—10 проб из каждой выделенной на место­ рождении литологической разновидности.

Выдержанность качественных показателей каждого типа пород на площади месторождения контролируется сокращенными испы­ таниями, количество которых в 10—25 раз больше, чем полных. Пробы для сокращенных испытаний отбираются по всем выработ­ кам, вскрывшим полезную толщу, обычно через 1—2 м. При одно­ родном строении толщи это расстояние может быть значительно увеличено. Для сокращенных испытаний отбираются кубики раз­ мером 5X5X8 см, а для полных — монолиты размером 20Х20Х ХЗО см или 1,3 м столбика керна, диаметром не менее 50 мм.

В первую стадию работ рекомендуется производить в значи­ тельном количестве сокращенные физико-механические испытания (объемная масса, водопоглощение, прочность), а также петрогра­ фические определения выделенных литологических типов. При этом будут охарактеризованы основные физические свойства камня и связь их с литологическими особенностями.

Для некоторых месторождений довольно хорошо устанавлива­ ется корреляционная зависимость между объемной массой и проч­ ностью, что позволяет при дальнейшей работе сократить количе­ ство испытаний.

В монолитах определяются объемная масса, плотность, пори­ стость, водопоглощение, петрографический состав, сопротивление сжатию в трех состояниях (сухом, водонасыщенном и после замо­ раживания). При необходимости дополнительно определяются со-

119

123

противление изгибу, истираемость и сопротивление удару. Испыта­ ния производятся в соответствии с требованиями ГОСТ 8462—62 «Определение предела прочности при сжатии»; ГОСТ 7025—67 «Определение водопоглощения и морозостойкости»; ГОСТ 13087—67 «Определение истирания»; ГОСТ 6464—52 «Определение объем­

ного и удельного веса».

Для небольшого количества проб следует производить опреде­ ления химического состава. В пробах определяется содержание

SiOo, Fe20 3, А120 3, S 03, CaO, MgO и п. п. п.

При петрографических исследованиях камня для щебня опре­ деляется наличие в породе свободной, активной кремнекнслоты (опал, халцедон) и ее содержание. В некоторых случаях прово­ дится определение активности кремнекнслоты, так как в зависи­ мости от этого будет решаться вопрос о возможности применения щебня в гидротехнических и дорожных сооружениях.

В изверженных породах определяется состояние выветренности полевых шпатов, наличие вторичных минералов. При разведке ме­ сторождения изверженных пород для получения облицовочного камня большое значение имеет правильное определение глубины распространения зон выветривания. Обычно в массиве извержен­ ных пород выделяются (сверху вниз) зона интенсивно выветрелых пород, в значительной степени дезинтегрированных, иногда с отдельными крупными глыбами, и зона пород, затронутых вывет­ риванием. Установить нижнюю границу этой зоны иногда удается только с помощью изучения шлифов и определения пористости, которая выше чем у свежей породы. Породы этой зоны обычно для получения облицовочного камня не пригодны, так как обладают повышенной трещиноватостью, но отвечают требованиям к камню на щебень.

При разведке месторождения облицовочного камня для опреде­ ления выхода блочного камня проходится опытный карьер. Обычно для этих целей бывает достаточно произвести выемку 50—100 м3 свежего невыветрелого камня. Но при большой мощности вскрыш­ ных пород и зоны выветривания, выраженной повышенной трещи­ новатостью пород, общий объем карьерных работ может быть весьма значительным. К сожалению, до настоящего времени не разработано точных методов, позволяющих без пробной добычи определять выход из горной массы блочной продукции. Однако путем изучения трещиноватости, развитой на разведываемом ме­ сторождении, могут быть получены данные, позволяющие при­ мерно определить размер блоков, получение которых возможно. Предложено несколько методик изучения трещиноватости (Бели­ ков, 1955). Наблюдение за состоянием керна буровых скважин

также может дать ценную информацию о степени монолитности породы.

Во ВНИИнеруд (1971) разработаны методические указания по замеру трещиноватости на карьерах нерудных строительных мате­ риалов. При этом за основную характеристику трещиноватости и

124