Лукьянов В.Г. Горные машины и проведение горно-разведочных выработок

Подождите немного. Документ загружается.

Рис. 7. Виды пустот в различных породах:

а – скальная порода с проницаемостью по отдельным трещинам;

б – кавернозная порода с крупными пустотами, подвергающимися растворению и

выщелачиванию; в – рыхлая песчаная порода с высокой пористостью;

г – рыхлая порода с небольшой пористостью вследствие плохой отсортированности

зерен; д – песчаная порода с небольшой пористостью вследствие образования

в порах цемента; е – глинистая порода

Под плотностью горных пород и породообразующих минералов

следует понимать массу единицы объема со всеми содержащимися в ее

порах жидкостями и газами р

Она может быть определена по формуле

= m/V,

где т – масса образца породы, т; V – объем минеральных (твердых) час-

тиц образца породы, м

Плотность некоторых горных пород и минералов приведена в табл. 3,

а пористость – в табл. 4.

Слоистость является одной из форм текстуры и обусловливается

чередованием в накоплении осадков по крупности зерен, составу, окра-

ске и пр. Слоистость оценивается обычно визуально: по признакам

масштаба – макрослоистость, микрослоистость; по геометрии – парал-

лельная, косая, прерывная; по

резкости проявления – неясная, отчетли-

вая. Со слоистостью связана способность горных пород разделяться на

отдельные слои или расслаиваться. Это явление уменьшает устойчи-

вость обнажений горных выработок. Породы могут легко распадаться

на слои на границах перерывов в осадконакоплениях.

В некоторых горных породах имеется система мелких субпараллель-

ных плоскостей тектонического происхождения (на тонкие

пластинки,

мелкие призмочки, линзы и т. д.). Это явление называется кливажем. Не-

обходимо помнить, что по трещинам кливажа значительные массы угля и

пород неожиданно могут отслаиваться и обрушаться, что может привести

к травмированию людей, разрушению крепи, коммуникаций и пр. Поэто-

му при проведении горно-разведочных выработок в таких породах необ-

ходимо тщательно выполнять закладку пустот за крепью, соблюдать осо-

бую осторожность при выполнении проходческих процессов.

Трещиноватость – это также одно из характерных свойств массива

горных пород. Различают следующие типы трещин: тектонические,

трещины

отдельности, выветривания, откоса, отслаивания, напластова-

ния и смещения.

Трещины по происхождению делятся на прирожденные и тектони-

ческие.

Прирожденная трещиноватость возникает в процессе превращения

осадка в породу вследствие сокращения объема вещества. Образуется при

этом целая система трещин основных и торцовых, расположенных попе-

рек основных. Трещины нередко заполнены минеральным веществом.

Таблица 3

Горные породы

и минералы

Плотность,

т/м

Горные породы

и минералы

Плотность,

т/м

Интрузивные и эффузивные породы

Опока 1,3

Базальт 3,3 Песок 1,65

Габбро 2,95 Лесс 2,64

Гранит 2,7 Торф 1,05

Диорит 2,95

Породообразующие и рудные минералы

Порфир 2,75 Ангидрит 2,69

Диабаз 2,85 Апатит 3,21

Андезит 2,49 Барит 4,5

Пироксенит 3,19 Вольфрамит 7,3

Перидотит 3,19 Галит 2,17

Осадочные породы

Графит 2,2

Песчаник 2,67 Каолинит 2,59

Алевролит 2,69 Касситерит 7,03

Глина 1,6 Нефелин 2,62

Аргиллит 2,3 Опал 2

Мергель 2,1 Биотит 3,06

Известняк 2,65 Мусковит 2,93

Мел 2,69 Тальк 2,78

Брекчия 2,3 Кварц 2,57

Ангидрит 2,55 Полевой шпат 2,65

Таблица 4

Порода Пористость,

Гранит 1,2

Кристаллический сланец, гнейс, габбро и диабаз 0,2...1,8

Кварцит 0,8

Базальт 0,63...1,3

Порфирит 2,0

Сиенит 0,5...0,6

Известняк, мрамор, доломит 0,53...13,4

Глинистый сланец 4

Песчаник 4,8...28,3

Мел 30

Однородные пески 26...47

Смешанные 35...40

Гравий 35...40

Суглинок 52...55

Глина 44...47

Лесс 45

Торфяной грунт 81

Таблица 5

Категория

трещиноватости

Степень трещиноватости

(блочности) массива

Среднее расстояние

между естественными

трещинами всех

систем, м

I Чрезвычайно трещиноватый (мелкоблочный)0,1

II Сильнотрещиноватый (среднеблочный) 0,1...0,5

III Среднетрещиноватый (крупноблочный) 0,5...1,0

IV Мелкотрещиноватый (весьма крупно-

блочный) Практически-монолитный

1,0...1,5

V Практически-монолитный

(исключительно крупноблочный)

>1,5

Под влиянием тектонических сил в породах возникают новые тре-

щины – тектонические, которые направлены под разными углами к на-

пластованию. На поверхности этих трещин часто имеются бороздки и

зеркала скольжения. Совокупность прирожденных и тектонических

трещин приводит к значительному снижению прочностных свойств по-

род в массиве. В результате этого возникают прихваты бурового инст-

румента в процессе бурения, обрушение кровли, стенок выработок и пр.

Трещиноватость горных пород определяется по числу трещин или

расстоянию между ними.

Классификация массивов скальных пород по степени трещиновато-

сти приведена в табл. 5.

§ 3. МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ГОРНЫХ ПОРОД

Механические свойства горных пород являются разновидностью

физических свойств. Они выражаются в способности горных пород ока-

зывать сопротивление деформированию и разрушению под действием

внешних сил. К ним относятся: прочность, абразивность, упругость,

хрупкость, пластичность и др.

Прочностью горной породы называется способность ее сопротив-

ляться внешним силам, стремящимся разрушить связь между зернами,

слагающими

эту породу. Она в значительной степени зависит от спосо-

ба деформации. Поэтому различают прочность на сжатие, растяжение,

изгиб и скалывание. Прочность пород также зависит от их минералоги-

ческого состава, структуры, текстуры, пористости, характера связи ме-

жду зернами, твердости частиц и степени выветривания. Мелкозерни-

стые породы обладают большей прочностью, чем крупнозернистые.

Прочность

сцементированных пород зависит от рода цемента. Проч-

ность глинистых пород падает с увеличением влажности.

С увеличением плотности прочность, как правило, возрастает. Наи-

большая прочность горных пород проявляется при сжатии. Она харак-

теризуется отношением усилия, разрушающего образец (Р

, Н), к пло-

щади поперечного сечения образца (F, м

сж

= Р

/ F.

При всестороннем объемном сжатии (забой шпура, скважины) со-

противление пород увеличивается. Сопротивление горных пород сжа-

тию изменяется в зависимости от направления действия сил по отноше-

нию к кристаллографическим осям, слоистости и сланцеватости пород.

Так, у сланцевых пород прочность вдоль плоскости сланцеватости со-

ставляет 0,5–0,75 от прочности в направлении, перпендикулярном к

этой плоскости.

Прочность при скалывании в 10–15 раз меньше прочности на сжа-

тие, а прочность при растяжении в 1,5–2 раза меньше, чем прочность

при скалывании.

Прочность наиболее распространенных пород на одноосное сжатие

приведена в табл. 6.

Таблица 6

Горная порода

Прочность

на сжатие, МПа

Горная порода

Прочность

на сжатие, МПа

Базальт 500 Песчаники

с известковым

цементом

200…100

Габбро 120...360

Диорит 130...300 Аргиллит 200

Гранит 80...250 Глинистый сланец 100

Сиенит 150...200 Ангидрит 120

Кварц 300 Гипс 50

Известняк, доломит 100...260 Каменный уголь 1,0…40

Песчаник с крем-

нистым цементом

200 Глина 0,2…1,0

Твердостью называется способность пород оказывать сопротивле-

ние проникновению в нее другого, более твердого тела и является част-

ным случаем прочности при местном приложении разрушающих нагру-

зок. Это очень важное свойство горных пород, определяющее величину

внедрения лезвия головки буров (резцов) и поэтому существенно

влияющее на скорость бурения шпуров, скважин.

Различают агрегатную

твердость, т. е. твердость породы в целом, и

твердость отдельных минералов, из которых состоит порода. Агрегатная

твердость зависит от твердости отдельных минеральных зерен, цементи-

рующего вещества и плотности горной породы. Она в основном влияет на

скорость разрушения породы при бурении шпуров. Твердость отдельных

минералов влияет на износ резцов породоразрушающего инструмента

сказывается на интенсивности разрушения породы только во времени.

Твердость горных пород зависит также от способа приложения на-

грузок, которые могут быть статическими и динамическими. Динамиче-

ская твердость почти в 10 раз меньше статической.

Твердость можно определять различными методами: царапаньем,

затухающими колебаниями, вдавливанием штампа, истиранием, резани-

ем, отскоком бойка и др

Абразивностью называется способность горной породы изнаши-

вать контактирующие с ней поверхности горных машин или горного

оборудования в процессе их работы.

Абразивность пород зависит от твердости породообразующих ми-

нералов, характера сцепления зерен друг с другом, крупности и формы

зерен, плотности пород и степени ее трещиноватости. Чем тверже и

крупнее зерна минералов, чем острее их ребра, тем выше абразивность

пород. Наибольшей абразивностью обладает порода с мягким цементом.

Абразивность горных пород имеет существенное влияние на техни-

ко-экономические показатели проведения горно-разведочных вырабо-

ток (выбор более или менее энергоемких и

трудоемких средств бурения

шпуров, погрузки породы, обмена вагонеток и пр.).

§ 4. ДЕФОРМАЦИОННЫЕ СВОЙСТВА ГОРНЫХ ПОРОД

Горные породы под действием приложенных нагрузок в одних слу-

чаях меняют только свою форму и объем без разрыва сплошности (пла-

стичная деформация), в других разрушаются на отдельные элементы без

заметной пластичной деформации. В связи с этим выделяют такие важ-

ные свойства пород, как пластичность, хрупкость и упругость.

Пластичностью горных пород

называется свойство горных пород в

известных условиях и пределах под воздействием сил претерпевать ос-

таточную деформацию (пластические деформации после снятия нагруз-

ки) без микроскопических нарушений сплошности.

Пластичности обычно противопоставляется понятие хрупкость, т. е.

способность горных пород под воздействием сил разрушаться без за-

метных пластических деформаций. Эти породы имеют слабую сопро-

тивляемость разрушению при действии на нее ударной нагрузки. В по-

родах с повышенной хрупкостью повышается эффект взрыва, но увели-

чиваются переборы по сечению, что приводит к лишним затратам при

погрузке породы, креплении выработки и пр.

Упругость – способность породы восстанавливать первоначальную

форму и объем после снятия нагрузки.

Проявление тех или

иных свойств горных пород в значительной

мере связано с условиями нагружения.

При мгновенном нагружении многие горные породы (песчаники,

сланцы и др.) разрушаются на отдельные осколки, проявляя типичное

свойство хрупкости. Вместе с тем эти же породы при постепенном на-

гружении ведут себя как упругие тела, т. е. пропорционально силам рас-

тут

деформации. При длительном воздействии нагрузки в них проявля-

ются остаточные деформации, т. е. породы проявляют пластичность.

Таким образом, упругость, хрупкость и пластичность имеют отно-

сительный характер.

Хрупкость и пластичность оцениваются коэффициентом пластич-

ности (хрупкости), равным отношению общей работы деформации до

разрушения А

общ

к работе упругой деформации А

упр

, т. е. k = А

общ

/ А

упр

Хрупкое разрушение в чистом виде оценивается коэффициентом k = l.

При пластических свойствах коэффициент k увеличивается.

Упругость твердых горных пород характеризуется модулем упру-

гости Е (модуль Юнга), коэффициентом Пуассона μ, модулем сдвига G.

Кроме них иногда пользуются такими показателями, как модуль дефор-

мации Е

и динамический модуль упругости Е

Модуль Юнга представляет собой отношение нормального напря-

жения σ, к относительной деформации ζ

Коэффициент Пуассона представляет собой отношение относи-

тельных деформаций – поперечной к продольной: μ = ζ

/ ζ

Модуль Юнга и коэффициент Пуассона вычисляют по данным ла-

бораторных испытаний пород.

Модуль сдвига по сложности его определения лабораторным путем

может быть определен по формуле

2(1 )

Модуль деформации есть отношение нормального напряжения к

полной относительной деформации Е

, т. е. Е

= σ/ Е

Необходимость введения этого модуля связана как с криволиней-

ной зависимостью между деформациями и напряжениями, так и с неод-

нородностью горных пород. Чем больше в породе слабых зерен, а также

чем выше пористость этой породы, тем быстрее возникают остаточные

деформации и величины их больше.

Величины модулей упругости и деформации зависят

от влажности:

с увеличением последней модули снижаются.

Динамический модуль упругости Е

определяется на основе изме-

рения скорости продольных ультразвуковых волн, которая связана с

ним функциональной зависимостью.

Определение упругих характеристик Е и μ связано с проведением

тщательных и достаточно точных измерений деформации образца поро-

ды при сжатии или изгибе. На практике в настоящее время для измере-

ния малых деформаций пользуются индикаторами часового

типа или же

электрическими тензодатчиками сопротивления.

Вязкость – это сопротивление пород силам, стремящимся разъединить

их частицы. В однородных и простых породах вязкость равномерна во всех

направлениях. В породах неоднородного сложения или сложных вязкость,

как и твердость, меньше вдоль слоев и больше в направлении, перпендику-

лярном к слоям. Наибольшей вязкостью обладают

мелкозернистые породы.

Разрыхляемость – способность горных пород к разукрупнению,

разрыхлению и укладке (в т. ч. и в емкости).

Разрыхляемость породы характеризуется коэффициентом разрых-

ления k

Коэффициент разрыхления – это отношение объема породы в со-

стоянии разрыхления V

к первоначальному объему той же породы в

массиве V, т. е.

= V

/ V.

Величина его всегда больше единицы и зависит как от крепости

горной породы, так и от способа ее разрушения (табл. 7).

Таблица 7

Категория породы

по ЕНВ, 1977

Порода

Коэффициент

разрыхления,

I–II Песок, супесь

Растительный грунт, торф Лессо-

видный суглинок, влажный лесс,

гравий до 15 мм

1,08–1,17

1,2–1,3

1,14–1,28

III Жирная глина, тяжелый суглинок,

лесс естественной влажности,

крупный гравии

1,24–1,3

V–VI

Ломовая глина, суглинок со щебнем

Отвердевший лесс, мягкий мергель,

опоки, трепел

1,26–1,32

1,33–1,37

VII Крепкий мергель, трещиноватый

скальный грунт

1,3–1,45

VIII

IX–XII

Глинистые, песчаные сланцы Пес-

чаники, известняки

1,8–2

2–2,2

Разрыхляемость существенно влияет на продолжительность про-

цесса погрузки пород. При больших значениях коэффициента разрых-

ления требуется загрузить большее число вагонов или бадей, произве-

сти большее число черпаний ковшом породопогрузочной машины.

§ 5. ГОРНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПОРОД

Буримость – способность горной породы сопротивляться проник-

новению в нее бурового инструмента. Буримость породы характеризуют

скоростью бурения (мм/мин), реже – продолжительностью бурения 1 м

шпура (мин/м).

Буримость горных пород положена в основу современной класси-

фикации горных пород.

Взрываемостъ горных пород – сопротивляемость горной породы

разрушению действием взрыва ВВ. Определяется удельным расходом

ВВ (кг/м

) или количеством энергии (удельная затрата энергии ВВ), не-

обходимым для образования прямоугольной воронки взрыва при глуби-

не заложения заряда 1 м при помещении его в шпур с конечным диа-

метром 40 мм, расположенный под углом 45° к горизонтальной свобод-

ной поверхности.

Показатели буримости и взрываемости являются функцией ком-

плексного влияния природных и технических

факторов. Буримость

влияет на выбор технических средств (способ бурения, тип бурового

оборудования и инструмента и пр.) и технологических параметров бу-

рения (частота вращения, осевое усилие, способ и полнота удаления из

забоя шпура продуктов разрушения и пр.) и на последующие технико-

экономические показатели рабочего процесса.

Взрываемость определяет выбор типа ВВ, конструкции

вруба, заря-

да и пр. Буримость и взрываемость позволяют оценить трудность буре-

ния и взрывания одной породы по сравнению с другой, а следовательно,

дают горному инженеру инструмент для оценки и нормирования работ,

связанных с бурением и взрыванием массивов пород с различными

свойствами.

Понятие буримости и взрываемости развивают понятие крепости

при

конкретных видах работ.

Крепость – способность горной породы сопротивляться бурению,

отбойке, взрыванию и другим внешним воздействиям, т. е. сопротив-

ляться разрушению от действия внешних усилий. Понятие о крепости

дает общую характеристику горной породы при любых производствен-

ных процессах, в том числе при бурении и взрывании. Наиболее рас-

пространено определение крепости

породы по временному сопротивле-

нию на раздавливание.

§ 6. КЛАССИФИКАЦИЯ ГОРНЫХ ПОРОД

Для практических целей классификация горных пород необходима

при нормировании труда на отдельных видах работ.

Почти все горные процессы – отделение породы от массива, ее пе-

ремещение, дробление, сортировка, проветривание выработок, управле-

ние горным давлением – зависят в первую очередь от свойств пород.

Изучение физических свойств пород возможно только на основе

обобщения их

классификации по физическим свойствам.

Первые попытки классифицировать горные породы относятся к

концу XVIII в.

В настоящее время известны классификации горных пород

М.М. Протодьяконова, П.М. Цимбаревича, А.Ф. Суханова, В.В. Ржев-

ского, Союзвзрывпрома, Криворожская, Главшахтстроя, по буримости,

взрываемости и др.

Известные классификации горных пород в работе [39] разбиваются

на две большие группы: общие и частные.

В общих классификациях горные породы разбиваются на большие

группы по генетическому принципу, признаку минерального состава, по

признаку строения или по тому и другому одновременно.

Частные классификации для целей горного дела используются при

решении производственных или научных задач и основаны на разделе-

нии пород по какому-либо одному физическому свойству или характе-

ристике.

Из частных классификаций можно указать:

• классификацию горных пород по коэффициенту крепости (разли-

чают породы в основном по пределу прочности на сжатие);

• по пористости, плотности, твердости, электропроводности, тепло-

проводности и т. д.;

• технологические классификации по какому-либо технологическому

параметру (по буримости, взрываемости, экскавации, дробимости,

обогатимости и др.).

Все общие классификации пород являются

качественными, харак-

теризующими минеральный состав и строение пород как основные фак-

торы, от которых зависят физические свойства пород. Однако они не

содержат в себе количественного признака.

Частные классификации являются количественными классифика-

циями, но они построены по отдельным (единичным) свойствам пород

без учета тех качественных показателей из общих классификаций, кото-

рые

, по существу, определяют все их свойства.

В настоящее время наибольшее распространение нашли частные

классификации.

Наиболее известной классификацией горных пород по крепости яв-

ляется шкала проф. М.М. Протодьяконова, в которой породы характе-

ризуются коэффициентом крепости (табл. 8), являющимся относитель-

ной характеристикой рассматриваемой породы по сравнению с глинами,

крепость которых принята

за единицу.