54. Прочностные свойства горных пород

Механические свойства характеризуют поведение горных пород в различных механических силовых полях. Их подразделяют на ряд групп:

прочностные, характеризующие предельное сопротивление пород различного рода нагрузкам;

деформационные, характеризующие деформируемость пород под нагрузками;

акустические, характеризующие условия передачи породами упругих колебаний;

реологические, характеризующие деформирование пород во времени при заданных условиях нагружения;

Прочностные свойства определяют способность пород сопротивляться разрушению под действием приложенных механических напряжений. Они характеризуются пределами прочности при сжатии и растяжении, сцеплением и углом внутреннего трения.

Предел прочности при одноосном сжатии [_сж] или, короче, прочность на сжатие пород характеризует значение напряжения, которое выдерживает образец до разрушения при одноосном сжатии. Обычно прочность пород на сжатие тем выше, чем выше их плотность.

Прочность на растяжение [_р] горных пород значительно ниже их прочности на сжатие. Это одна из наиболее характерных особенностей горных пород, определяющих их поведение в поле механических сил. Горные породы плохо сопротивляются растягивающим усилиям, появление которых в тех или иных участках массива пород при разработке служит критерием опасности обрушений пород и разрушения горных выработок.

Прочность на срез (сдвиг) может быть охарактеризована двумя функционально связанными параметрами: сцеплением и углом внутреннего трения породы. Эту функциональную связь выражают уравнением Кулона—Мора:

_n = _n tg + [₀],

где _n —нормальное напряжение при срезе; (—угол внутреннего трения; [₀]—сцепление.

Сцепление [₀] характеризует предельное сопротивление срезу по площадке, на которой отсутствует нормальное давление, т. е. нет сопротивления срезающим усилиям за счет внутреннего трения. Угол внутреннего трения  или коэффициент внутреннего трения tg характеризует интенсивность роста срезающих напряжений с возрастанием нормальных напряжений, т. е. представляет собой коэффициент пропорциональности между приращениями касательных d_n и нормальных d_n напряжений при срезе:

d_n

tg = --------

d_n

Значение сцепления горных пород меняется в пределах от десятых долей (глины, мергели, слабо сцементированные песчаники и др.) до сотен килограмм-сил на квадратный сантиметр (прочные песчаники и массивно-кристаллические породы), угол внутреннего трения—от 10—15 для некоторых глин до 35—60° для прочных массивно-кристаллических и метаморфических пород (граниты, сиениты, кварциты и др.).

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.).

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 р_к (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).

Устойчивость - поведение горных пород при обнажении их в массиве. Породы устойчивые при этом не обрушаются, не требуют закрепления. В породах неустойчивых или слабоустойчивых требуется проводить крепление. Устойчивость горных пород зависит целиком от характера связи между частицами, слагающими горную породу, от трещиноватости и степени выветрелости.

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.