1. Физико-механические свойства горных пород Деформирование изнашивание

Основные свойства горных пород можно подразделить на следующие две группы:

1. Физические свойства — плотность, пористость, влагоемкость, теплопроводность, проводимость звука, электрического тока и др.

.2. Механические свойства — прочность, упругость, пластичность, крепость, твердость, контактная прочность, абразивность.

Наибольшее влияние на конструкцию бурильных и горных машин оказывают механические свойства горных пород.

Прочность — одно из основных механических свойств горных пород, она характеризует их способность в определенных условиях воспринимать те или иные силовые воздействия, не разрушаясь. Критериями прочности являются временные сопротивления одноосному сжатию (ОСЖ), растяжению (0р), сдвигу (т). Наибольшее сопротивление горные породы оказывают сжатию, меньшее — сдвигу и наименьшее — растяжению.

Упругость — свойство горной породы восстанавливать свои первоначальные форму и объем по прекращению действия внешних сил. Упругие свойства характеризуются модулем упругости и коэффициентом Пуассона.

Пластичность в противоположность упругости — свойство породы сохранять остаточную деформацию после прекращения действия внешних сил.

Крепость — способность породы сопротивляться разрушению от действия внешних сил при различных технологических процессах разрушения (бурение, резание, взрывание и др.). Крепость зависит от прочности, твердости, вязкости, упругости, минералогического состава и структуры породы, трещиноватости и других факторов. Впервые необходимость совокупной количественной оценки сопротивляемости пород разрушению для целей ведения горных работ была обоснована проф. М.М. Протодьяконовым (старшим), создавшим известную шкалу относительной крепости горных пород. За единицу крепости (F = 1) была выбрана порода с временным сопротивлением одноосному сжатию, равным 10 МПа, при раздавливании на прессе породного кубика; а все горные породы разделены на десять категорий: с коэффициентом крепости от F = 20 для первой категории (наиболее крепкие, плотные и вязкие кварциты и базальты и др.) до F =0,3 для десятой категории (плывуны, разжиженный грунт и др.). Коэффициент относительной крепости F есть интегральная характеристика прочностных свойств горных пород.

Были предложены и другие методы количественной оценки сопротивляемости пород разрушению, более соответствующие конкретным способам их механического разрушения. Для нормирования буровых работ используют шкалы буримости горных пород, под которой понимается обычно степень трудности их разрушения (скорость бурения) в определенных условиях и определенными типами бурильных машин. Шкалы буримости пригодны обычно для использования только в пределах определенного района.

Твердость — это способность горной породы сопротивляться местному разрушению при вдавливании в нее инструмента или индентора.

Для характеристики сопротивляемости горных пород разрушению инструментами породопроходческих комбайнов (резцами, шарошками) в настоящее время используют показатели контактной прочности и абразивности пород.

Контактная прочность породы рк (МПа) определяется по методу Л.И. Барона и Л.Б. Глатмана путем вдавливания цилиндрического индентора (штампа) диаметром 2 — 5 мм в естественную (не шлифованную, как при определении твердости) поверхность образца породы.

По контактной прочности породы относятся к шести категориям: слабые (до 400 МПа), ниже средней крепости (400—650 МПа), средней крепости (650-1250 МПа), крепкие (1250-2450 МПа), очень крепкие (2450-4500 МПа), крепчайшие (более 4500 МПа).

Абразивность — свойство горной породы изнашивать при трении о нее металлы, твердые сплавы и другие твердые тела. Она определяется по методу, предложенному Л.И. Бароном и А.В. Кузнецовым, путем истирания торцов стального стержня-эталона диаметром 8 мм о необработанную поверхность образцов породы при постоянной частоте вращения стержня 6,7 с-1 и осевой нагрузке 150 Н. Время истирания каждого торца стержня-эталона составляет 600 с. За показатель абразивности породы а принимается уменьшение массы истираемого стержня в миллиграммах, определяемое взвешиванием стержня до и после его истирания на аналитических весах.

Авторами метода предложена шкала абразивности, согласно которой все горные породы разбиты на восемь классов с показателями абразивности от а < 5 мг — весьма мало абразивные породы (известняк, мрамор, апатит, каменная соль и др.) до а > 90 мг - в высшей степени абразивные (корундосодержащие породы).

Для целей расчета нагрузок на рабочем инструменте машин, производящих разрушение углей, ИГД им. А.А. Скочинского предложено определять сопротивляемость углей резанию непосредственно в забоях с помощью специальных приборов. В качестве показателя сопротивляемости угля резанию А.И. Бероном и Е.З. Позиным принято приращение силы резания на единицу глубины резания установкой ДКС в эталонном режиме (резание с выровненной поверхности резцом шириной 20 мм с параллельными боковыми режущими кромками и углом резания 50°) А = Zh , где А — показатель сопротивляемости угля резанию, кНм; Z - средняя сила резания, кН; h — глубина резания, м.

Для проведения массовых замеров сопротивляемости углей резанию в шахтных условиях ИГД им. А.А. Скочинского было создано также динамометрическое сверло СДМ-1.

Показатели сопротивляемости угля резанию, определенные с помощью СДМ-1, обозначаются А в отличие от А для установки ДКС и находятся из выражения:

А = М/(2rсрh),

где М — среднее значение момента сопротивления, зафиксированное на ленте самописца динамометрического сверла, кНм; rср = 0,026 м — средний радиус резца; h — глубина резания (толщина среза), м.

Различают: сопротивляемость угля резанию в неотжатой зоне массива пласта — А, кН/м; сопротивляемость угля резанию в зоне работы исполнительных органов выемочных горных машин (с учетом отжима угля) — Ав, кН/м; сопротивляемость пласта резанию с учетом породных прослойков и включений — А , кН/м.

Согласно классификации, предложенной ИГД им. А.А. Скочинского, различные типы углей подразделяют на восемь классов по сопротивляемости резанию - от 1-го (А до 60, кН/м) до VIII-го класса (А = 421 и более кН/м) и на семь категорий по разрушаемости, учитывающей величину сопротивляемости резанию и вязкость углей, весьма слабые (ВС), слабые (С), средней крепости (СК), выше средней крепости (ВСК), крепкие (К), весьма крепкие (ВК) и особо крепкие (ОК) угли.