10. Влияние на прочность пород состава и строения.

Из породообразующих минералов наибольшей прочностью обладает кварц. По данным исследователей, предел прочности при сжатии кварца превышает 500 МПа

Прочностные характеристики пород очень чувствительны к их структуре. Прочность сцементированных пород в первую очередь определяется прочностью и качеством цемента (матрицы), а не заполнителя.

Наличие более прочных несжимаемых зерен в менее прочной матрице иногда не только не упрочняет ее, а наоборот, способствует более легкому разрушению породы. На границе включения и матрицы под действием внешних нагрузок, вызвавших средние напряжения а, возникают касательные напряжения зависящие от соотношения модулей объемного сжатия включения и матрицы

Наибольшие значения предела прочности при сжатии имеют плотные мелкозернистые кварциты и нефриты: 500—600 МПа. Значительной прочностью (более 350 МПа) обладают плотные мелкозернистые граниты, несколько меньшей — габбро, диабазы и крупнозернистые граниты. Прочность углей при сжатии изменяется в зависимости от степени их метаморфизма от 1 МПа (коксовые угли) до 35 МПа (антрациты).

Пределы прочности при растяжении для большинства пород не превышают 20 МПа и составляют примерно (0,1—0,02) . Наибольшая прочность при растяжении характерна для кварцитов и малопористых перекристаллизованных мелкозернистых мраморов.

Угол внутреннего трения в породах наиболее часто находится в пределах 20—60°, в углях 30—40° (см. табл. 3.7). Угол внутреннего трения уменьшается с увеличением содержания в породе мелких фракций, количества глинистых частиц (особенно монтмориллонита), так как это способствует взаимному скольжению одной части породы относительно другой.

Основное влияние на прочность пород оказывают их пористость и трещиноватость. В результате породы даже совершенно различного состава могут иметь одну и ту же прочность, и наоборот. Так, микроклиновых гранитов при увеличении пористости и трещиноватости с 0,6 до 1 % снижается с 240 до 180 МПа, при увеличении Р до 3 % снижается до 110 МПа. Соответственно уменьшаются с 62 до 41°, С — с 1,3 до 0,1 МПа.

Экспериментальные данные показывают, что при значениях пористости до 20 % пределы прочности пород при сжатии подчиняются следующей квадратичной зависимости от пористости (рис. 3.21, а):

где a'— l,5 4 — параметр формы порового пространства; — предел прочности минеральной фазы.

Существенное влияние на прочность пород оказывает также слоистость.

При растяжении поперек слоев порода будет разрушаться по слабому прослойку. При растяжении вдоль слоев прочные слои воспринимают на себя часть нагрузки и увеличивают общую сопротивляемость породы.

Следовательно,

Порфировидная структура повышает прочность пород в случае, если включения малы, а основная масса тонкокристаллическая и сплошная. Мостовая структура (взаимное прорастание зерен) также увеличивает, а стекловидные массы уменьшают прочность пород.

С увеличением размеров зерен прочность равномерно-зернистых горных пород (при прочих равных условиях) падает (рис. 3.23). Акад. П. А. Ребиндером установлено, что чем меньше частицы, слагающие твердое вещество, тем меньше микротрещиноватость и другие нарушения, которые, как известно, являются основной причиной разрушения твердого тела.

Эмпирическое уравнение, описывающее эту зависимость, может быть представлено в следующем виде:

, где ( — предел прочности монокристалла, условный минимальный предел прочности породы при ; d — средний размер зерен, мкм; b — показатель, находящийся в пределах 0,2 0,9 (в среднем b — 0,5); k — некоторая константа, имеющая порядок 10 МПа.

Изменение размеров зерен от 1 до 100 мкм снижает прочность пород почти в 2 раза. При дальнейшем же росте размеров зерен изменение прочности крайне незначительно.