Основные факторы, влияющие на прочность горных пород

Прочностные свойства горных пород в большей мере зависят от минерального состава, структуры, текстуры, влажности, температуры, давления, вида напряженного состояния и характера приложения нагрузки. А углей – степени метаморфизма.

В зависимости от вида напряжения прочность горных пород при сжатии характеризуется соотношением

(2.17)

Рис. 2.10. Зависимость Рис. 2.11. Зависимость

от ₀ минералов, слагающих от пористости Р пород

породу

Рис. 2.12. Зависимость от W Рис. 2.13. Зависимости

На рис. 2.12: 1 – глинистые породы; 2 – среднеразмокаемые породы; 3 – практически неразмокаемые породы.

На рис. 2.13: 1 – глинистые породы; 2 – прочные породы; А, В – точки разрушения.

Рис. 2.14. Зависимость от давления 

С глубиной залегания пород их прочность увеличивается (см. рис. 2.14), т.к. уменьшается пористость. Наиболее интенсивно породы уплотняются до глубины залегания 80 м. Вторая по величине уплотнения, а следовательно и упрочнения зона от 80 до 250 м. Третья зона, в которой породы практически не уплотняются – 250-1200 м. На большей глубине породы еще не изучены.

Прочность осадочных пород в большей мере зависит от типа и прочности цемента. Наиболее прочным является кварцевый цемент, наименее прочный – глинистый цемент.

Прочность горных пород определяется на образцах, отбираемых в массиве. Параметры получаемые на образцах больше, чем в массиве. Поэтому для выявления истинной прочности пород применяют коэффициент структурно-текстурного ослабления К_с, который определяется либо лабораторным способом, либо по СНиП II-94-80.

(2.17)

где – прочность породы при сжатии в массиве.

Точностные параметры горных пород определяют по ГОСТ на образцах правильной, полуправильной и неправильной формах. Параметры и  определяют графически из паспорта прочности Мора.

Деформирование и разрушение горных пород. Деформационные свойства горных пород

Деформация – изменение взаимного расположения частиц, составляющих тело. Основные причины деформации – воздействие внешних механических сил, изменение температуры, воздействие электрическими зарядами, магнитными полями и т.д.

В кристаллической решетке любого вещества существуют силы взаимного притяжения и отталкивания. При воздействии на породу внешних сил, стремящихся сдвинуть ионы в решетке благодаря упругим свойствам в породе возникают внутренние силы, противодействующие внешним.

Соответственно, свойства деформации твердого тела (породы), зависят от его упругих свойств и величины приложенных сил, напряжений. Увеличение нагрузок из вне приводит к возрастанию внутренних деформаций тела и в итоге к его разрушению, т.е. потере сплошности, разделу на части.

Деформации бывают упругие, упругопластические, пластические. При упругих деформациях наблюдается прямая зависимость между величиной напряжения и деформированностью тела. При этом в породе накапливается потенциальная энергия, стремящаяся после снятия нагрузки вернуть объем тела в исходное состояние. При пластических деформациях объем тела, после снятия внешних нагрузок, полностью не восстанавливается. Не существует четкой границы между переходом тела из упругих деформаций в пластические. Поэтому существует понятие упруго-пластические деформации.

При постоянном увеличении напряжений, либо из начальной его задаче достаточной величины в породе можно наблюдать все три вида деформаций – упругую Е_е, пластическую Е_пл и разрушающую Е_р (рис. 2.15).

Рис. 2.15. Графики деформаций пород: 1 – упругая; 2 – упруго-пластическая; 3 – пластическая; точки А, В, Д – разрушение

Основная часть горных пород обладает высокими упругими свойствами. Данные породы способны вплоть до полного разрушения под действием достаточной внешней нагрузки очень мало деформироваться. При разгрузке таких пород остаточная деформация _ост очень маленькая, т.е. _е ≈ (0,8-0,9) _ост.

Основные характеристики упругих деформаций горных пород являются модуль упругости Е, модуль сдвига G, коэффициент Пуассона и модуль всестороннего сжатия К.

Между данными характеристиками имеются взаимосвязи, которые описываются следующими выражениями

(2.18)

Связь между деформациями при нормальных и касательных напряжениях в породе, находящейся в объемном напряженном состоянии, выражается обобщенным законом Гука.

(2.19)