Лекція 2 Фізико-механічні властивості і класифікація гірських порід
Властивості порід, які впливають на процеси гірничих робіт, називають фізико-механічними або гірничо-технологічними. Ці властивості необхідно знати для правильного вибору способів і режимів гірничопрохідницьких робіт. Залежно від будови родовища, способів його розробки, порід, які будуть на ньому розроблятися, тощо, властивості поділяють за групами:
1) фізичні характеристики: густина, пористість, насипна щільність тощо (вихідні властивості порід);
2) механічні характеристики: пружність, пластичність, міцність тощо (поведінка порід при навантаженні);
3) гірничо-технічні характеристики: абразивність, буримість, підривність тощо (поведінка порід при розробці).
До основних фізико-механічних властивостей гірських порід, які впливають на успішність проведення гірничорозвідувальних виробок, належать:
твердість – властивість гірської породи чинити опір проникненню в неї іншого твердого тіла, яке не зазнає залишкової деформації. Твердість виражають у мегапаскалях (МПа) або за відносною шкалою Мооса.
в’язкість (грузькість) – властивість газу, рідини або породи чинити опір силам, які роз’єднують їхні складові. Щодо гірської породи, то це властивість безповоротно поглинати енергію в процесі її деформування. В породах щільних і зовсім однорідних в’язкість у всіх напрямах рівномірна. В породах неоднорідного складу або шаруватих в’язкість менша в напрямі шарів. Грунт із вологістю або водою називається грузьким. Чим більші твердість і в’язкість, тим важче розробляти породу.
пружність – здатність породи поновлювати свою форму та об’єм після припинення дії на неї зовнішніх сил. Звичайно це виявляється у відскакуванні від породи інструменту, яким ударяють. Пружність підвищує опір порід руйнуванню від завданих їм ударів.
пластичність – здатність породи під впливом зовнішніх сил змінювати форму (деформуватися) без розриву суцільності; при цьому породі надається залишкова деформація.
тріщинуватість збільшує водопроникність і зменшує стійкість порід. Наявність тріщин ускладнює буріння, виникає заклинка бурів, знижується ефективність підривних робіт за рахунок витоку газу тріщинами. До тріщинуватості належить і кліваж, тобто система паралельних тріщин, що не збігається з окремістю.
водопроникність – здатність гірських порід пропускати воду. Величина водопроникності залежить від розмірів і характеру пор і тріщин.
пливучість – властивість порід текти при розробці, що значно ускладнює процес проходки виробок. Це характерно для насичених водою дрібнозернистих пісків із домішками глинистих частинок, а також суглинків та глин при сильному зволоженні.
абразивність – здатність гірських порід зношувати інструмент, який руйнує породу при проходці гірничорозвідувальних виробок. Абразивні властивості мають породи, до складу яких входять зерна твердих мінералів або міцний матеріал, що цементує її.
крихкість – властивість мінералу або породи розколюватися навіть за незначної сили удару. Крихкість поєднує низьку в’язкість при невеликій твердості мінералу або породи, внаслідок чого породи легше руйнуються, що прискорює проходку гірничорозвідувальних робіт.
стійкість – здатність гірських порід не обвалюватися з масиву у відслоненні. Стійкість порід залежить від їх геологічних фізико-механічних властивостей і вологості. Вона має дві ознаки: стійкість у відкосах і стійкість у гірничорозвідувальних виробках – відкритих і підземних. Максимальний кут, за якого тримається, не обвалюючись, бічна поверхня гірської породи, зветься кутом природного укосу. Стійкість гірських порід має велике значення при проходженні розвідувальних канав і траншей, кути укосу яких повинні бути не більшими за кути природного укосу.
розпушуваність – здатність порід набувати більшого об’єму при відділенні від масиву. Вона залежить від структури та ступеня подрібнення породи при відбійці. Коефіцієнтом розпушування називається відношення об’єму добутої породи до об’єму, який вона займала у масиві:
де Vд – об’єм добутої породи, м3; Vм – об’єм тієї ж породи в масиві, м3.
Значення коефіцієнта розпушування необхідне для розрахунків транспортних, навантажувальних та обвалювальних робіт, а також для визначення ширини розвалу підривної породи в вибої.
міцність – властивість породи чинити опір руйнуванню під дією зовнішнього навантаження.
пористість – характеристика породи, яка зумовлюється наявністю порожнин (пор, тріщин) між частинами гірської породи й знаходиться за коефіцієнтом пористості – відношенням об’єму порожнин до загального об’єму породи. Від пористості породи залежить процес проходки виробок. Наприклад, породи, що мають більшу пористість, водопроникніші, внаслідок чого мають понижені міцність і стійкість.
густина – це відношення ваги гірської породи в щільному тілі без порожнин до ваги води в тому ж об’ємі, або відношення ваги тіла до його об’єму.
В гірських породах завжди існують природні порожнини у вигляді пор, тріщин. Це істотно ускладнює визначення густини породи. В такому разі користуються поняттям об’ємної ваги.
об’ємною вагою породи називають вагу 1 м3 гірської породи у природному стані.
В гірських породах можуть міститися вода й газ.
Водоносність – вміст підземної (ґрунтової) води різної кількості в порах і тріщинах порід. Наявність підземних вод ускладнює проходку виробок і часто вимагає проведення спеціальних робіт (організація водовідливу, проведення дренажу та осушення).
Газоносність характеризує можливість породи під час проходки виробок утримувати та виділяти газ (метан, вуглекислоту тощо), що дуже ускладнює проведення гірничорозвідувальних виробок. У цьому випадку необхідно застосовувати заходи для запобігання викиду газу у виробку, а також збільшувати нагнітання свіжого повітря в робочі вибої для розрідження газів до концентрації допустимих значень.
При проектуванні та проведенні гірничорозвідувальних виробок необхідно враховувати властивості гірської породи, залежно від сполучення яких різко змінюється її характеристика.