Міцнісні характеристики гірських порід і способи їх руйнування

Основні властивості гірських порід можна розділити на дві групи: фізичні і механічні.

Фізичні – густина, пористість, вологість, змочуваність, магнітна сприйнятливість, електричний опір та ін. Механічні – міцність, твердість, тривкість, пластичність та ін.

При руйнуванні гірських порід механічним способом першорядне значення мають їх механічні властивості, які характеризують здатність до опору силовим впливам і в залежності від виду й інтенсивності останніх до зміни розмірів, форми і стану.

Міцність – властивість гірської породи в певних умовах і межах, не руйнуючись, сприймати ті або інші силові впливи (зокрема впливи механічних навантажень, температурних, магнітних, електричних і інших полів, нерівномірне протікання фізико-хімічних процесів у різних частинах гірських порід і ін.).

Показниками, що характеризують міцність гірських порід для різних випадків, є: границі міцності порід на стиснення _ст, розтягнення _р, зсув _зс, вигин _виг, а також текучості _т, повзучості _п та ін. Для більшості порід границя міцності на розтягнення _р не перевищує 20 МПа. Границі міцності порід при зсуві, вигині та інших видах деформацій завжди менші _ст і більші _р, але ближчі до останньої. З породотвірних мінералів найбільшу міцність має кварц. У нього _ст перевищує 500 МПа, у польових шпатів, піроксенів, авгіту, рогової обманки, олівіну та інших залізисто-магнезійних мінералів _ст = 200-500 МПа, у кальциту _ст близько 20 МПа. У полікристалічних гірських породах міцність в основному визначається силами взаємного зчеплення безпосередньо дотичних між собою зерен і насамперед залежить від їх міцності, а також будови. Найбільші значення границі міцності при стисненні мають щільні дрібнозернисті кварцити і нефрити (500-600 МПа). Значну міцність (більше 350 МПа) мають щільні дрібнозернисті ґраніти, трохи меншу – габро, діабази і грубозернисті ґраніти. Міцність вугілля при стисненні змінюється в залежності від ступеня його метаморфізму і зольності від 1 МПа (коксівне вугілля) до 35 МПа (антрацити). Для вугілля показники міцності на стиснення σ_ст, зсув σ_зс, розтягнення σ_р знаходяться в такому співвідношенні: σ_ст : σ_зс : σ_р = 1: 0,3: 0,1.

Твердість – властивість гірської породи, не руйнуючись, чинити опір при зосередженому контактному силовому впливі. Твердість – характеристика гірських порід, що відображає їх міцність.

У залежності від методу випробування розрізнюють твердість дряпання, втиснення, шліфування. При використанні методу дряпання по поверхні переміщують гострий алмазний наконечник або еталонний мінерал. Міра твердості – величина зусилля, з яким протягається наконечник, ширина і об'єм подряпини. У методах свердлування твердість визначають за показниками взаємодії свердла і породи. Критерії твердості в цьому випадку: об'ємна робота руйнування, величина крутильного моменту і ін. За методом Ф.Пфаффа і Т.А.Джаггара використовують алмазні наконечники, за методом А.М.Янчура і О.М.Кульбачного – різці, армовані твердими сплавами. Поширене також визначення твердості за висотою відскоку бойка з алмазним наконечником, що скидається на поверхню гірської породи з фіксованої висоти (метод А.Ф.Шора). У сучасній практиці широко використовують методи втиснення інденторів у досліджуваний зразок. При цьому твердість визначають методами Ю.Брінелля, С.Роквелла і ін., випробуваними в металознавстві. У гірничій справі застосовується показник твердості, що виз­начається за методом Л.А.Шрейнера шляхом виколювання (заглибини) лунки в шліфованій поверхні породи під дією навантаження, прикладеного до штампу з плоскою круглою основою. Чисельне значення твердості являє відношення максимальної сили, що діє на штамп у момент виколювання лунки, до площі контактної поверхні. Аналогічним шляхом визначають контактну міцність за методом Л.І.Барона і Л.Б.Глатмана. Відмінність полягає в тому, що індентор втискують у природну (необроблену) поверхню породи. Показники твердості використовують при проектуванні засобів механізації гірничих робіт, оптимізації режимів експлуатації породоруйнуючих органів, обґрунтуванні нормативів продуктивності різних конструкцій інструментів і т.д.

Пластичність – властивість гірської породи під дією зовнішніх сил змінювати, не руйнуючись, свою форму і розміри.

Глинисті породи, леси, мергелі, крейда, ґрунти, що залягають на поверхні землі, набувають пластичності за певних умов зволоження, глибинні гірські породи – під дією температури й тиску (пластичність збільшується із зростанням температури і тиску). Пластичність залежить від мінерального складу гірських порід. Наявність жорстких кварцових зерен та польового шпату у породі зменшує її пластичність. Пластичність вугілля залежить від вмісту в ньому вуглецю. При переході від малометаморфізованого вугілля до антрацитів пластичність зменшується в 30 разів. Щодо глинистих порід, то в залежності від ступеня їх зволоженості вони можуть бути крихкими, пластичними і текучими.

Тривкість гірських порід – загальне умовне поняття, яке символізує сукупність механічних властивостей гірських порід, що виявляється в різних технологічних процесах при видобутку і переробці корисних копалин. Тривкість залежить від твердості, в’язкості, крихкості, пружних властивостей, мінералогічного складу і структури. Тривкість зростає зі збільшенням сил зв'язку між частинками і окремостями гірських порід та вмісту міцних мінералів у породі і знижується, як правило, при зволоженні. За М.М.Протодьяконовим, виділено 10 категорій тривкості. Метод експериментального визначення коефіцієнта тривкості (К_тр), запропонований М.М.Протодьяконовим, оснований на відносній оцінці роботи, затраченої на дроблення гірської породи вантажем масою 2,4 кг, що вільно падає з висоти 0,6 м.

Таблиця 2.4. – Класифікація тривкості гірських порід

(за М.М.Протодьяконовим)

Категорія	Ступінь тривкості породи	Гірські породи	Ктр
І	Найвищий	Кварцити, базальти та ін. винятково міцні породи	20
ІІ	Дуже тривкі породи	Ґраніт, кварцові порфіри, кременистий сланець, пісковики та вапняки підвищеної міцності, деякі кварцити	15
ІІІ	Тривкі породи	Ґраніти та ґранітні породи, пісковики і вапняки, міцні мінерали залізних руд	10
ІІІ-а	Тривкі породи	Вапняки, деякі ґраніти (неміцні), пісковики, мармур, доломіт, колчедани	8
ІV	Досить тривкі породи	Звичайний пісковик, залізисті руди	6
ІV-а	Досить тривкі породи	Піскуваті сланці, сланцеві пісковики	5
V	Породи середньої тривкості	Міцний глинистий сланець, неміцні різновиди пісковика і вапняку, м’який конґломерат	4
V-а	Те саме	Різноманітні неміцні сланці, щільний мергель	3
VI	Досить м’які породи	М’який сланець, дуже м’який вапняк, крейда, кам’яна сіль, ґіпс, мерзлий ґрунт, антрацит, звичайний мергель, зруйнований пісковик, кам’янистий ґрунт	2
VI-а	Досить м’які породи	Щебенистий ґрунт, зруйнований сланець, злежалі галька та щебінь, тверде кам’яне вугілля, затверділа глина	1,5
VII	М’які породи	Глина (щільна), м’яке кам’яне вугілля, міцні наноси	1,0
VII-а	М’які породи	Легка піскова глина, лес, ґравій	0,8
VIII	Землянисті породи	Чорнозем, торф, легкий суглинок, сирий пісок	0,6
ІХ	Сипучі породи	Пісок, осипи, дрібний гравій, насипна земля, видобуте вугілля	0,5
Х	Пливкі породи	Пливуни, болотистий ґрунт, розріджений лес, розріджено-зволожений ґрунт	0,3

Для руйнування грудок корисної копалини можуть бути використані таки способи (рис. 2.10):

- роздавлювання (рис. 2.10 а) – руйнування грудки в результаті стиснення між двома подрібнюючими поверхнями. При дробленні роздавлюванням утвориться велика кількість дрібних зерен, особливо при дробленні крихких корисних копалин. Цей спосіб застосовується, якщо при дробленні корисної копалини допускається підвищений вихід дріб’язку;

- розколювання (рис. 2.10 б) – руйнування грудки в результаті її розклинення між вістрями подрібнюючих поверхонь. Розколювання характеризується мінімальним утворенням дріб’язку, тому застосовується у тих випадках, коли переподрібнення небажане (напр., при підготовці вугілля до збагачення);

- злам (рис. 2.10 в) – руйнування грудки в результаті згину, виявляється при ребристій формі подрібнюючих поверхонь; має підлегле значення;

- зрізання (рис. 2.10 г) – руйнування грудки в результаті створюваних при дробленні напругах зрушення (зсуву); має також підлегле значення;

- стирання (рис. 2.10 д) – руйнування грудки в результаті впливу двох подрібнюючих поверхонь, які зміщаються одна відносно одної. Стирання характеризується утворенням великої кількості тонких класів, тому широко використовується в пробообробних машинах;

- удар (мал. 2.10 е) – руйнування грудки в результаті впливу короткочасних динамічних навантажень. Дроблення ударом приводить насамперед до руйнування по тріщинах, поверхнях зіткнення, дислокаціях зерен окремих компонентів. Цей спосіб знаходить застосування при дробленні промпродуктів і тонкому подрібненні корисних копалин.

Рис. 2.10. – Способи дроблення корисних копалин:

а – роздавлювання; б – розколювання; в – злам; г – зрізання;

д – стирання; е – удар.

Конструкція дробарки звичайно базується на використанні одного зі способів дроблення, а інші можуть мати підлегле значення.

Машини для дроблення і подрібнення

Вибір способу руйнування корисної копалини, а отже, і типу дробарки або млина, залежить від її дробильності, мінерального складу, тріщинуватості, крупності та інших властивостей, а також від необхідного ґранулометричного складу дробленого продукту.

Процеси дроблення і подрібнення застосовують головним чином для підготовки корисної копалини до подальшого збагачення. Основна мета цих процесів – доведення розмірів грудок корисної копалини до кінцевої крупності, обумовленої вкрапленням корисних мінералів і необхідною повнотою їхнього розкриття.

З міркувань конструктивного характеру, а також унаслідок небажаності переподрібнення, на збагачувальних фабриках застосовуються дробарки, що працюють головним чином роздавлюванням і ударом при додаткових стираючих і згинаючих діяннях на матеріал, що дробиться.

Машини для дроблення і подрібнення, застосовувані на збагачувальних фабриках, за способом руйнування гірських порід і механіко-конструктивними ознаками розділяються на п'ять основних класів: дробарки щокові, конусні, валкові, ударної дії і барабанні млини.

У млинах подрібнюючі деталі (помельні тіла) у процесі роботи стикаються. На відміну від них, між робочими органами дробарок завжди є зазор, заповнений матеріалом, що дробиться.

Дробарки і млини мають умовні літерні і цифрові позначки (табл. 2.5).