Вопрос №43 (Плотностные свойства минералов и горных пород, методы определения их количественной оценки)
К физическим параметрам плотностных свойств относят плотность, удельный вес и пористость (общая, открытая). Различают плотность породы в массиве (в естественном залегании), образце и разрыхленном состоянии. Плотность горной породы определяется как масса (кг) единицы ее объема (м3) со всеми содержащимися в ее порах жидкостями и газами. В системе единиц СИ единицей плотности р является килограмм на кубический метр:
где m — масса агрегатных фаз породы, кг; V — объем, занимаемый этими фазами, м3. Под весом горной породы понимают силу H, которая оказывает давление на горную крепь подземных выработок. Вес определяется через массу обрушившихся или отслоившихся над крепью пород:
где m — масса, кг; g — ускорение свободного падения, м/с2. Подставляя в это уравнение значение массы из предыдущего уравнения, получим
где V — объем обрушившихся над выработкой пород, оказывающих давление на крепь, м3. Под пористостью понимают суммарный относительный объем содержащихся в горной породе пустот. Обычно пористость выражают в процентах, относя объем пор Vп к полному объему породы V:
Коэффициент пористости Кп представляет собой отношение объема пор Vп к объему содержащегося в породе минерального вещества (твердой фазы) V0:
Общая пористость может быть рассчитана по плотности минера,льцого вещества (твердой фазы) и плотности породы:
где ρм — плотность минерального вещества, кг/м3. Аналогично может быть рассчитан и коэффициент общей пористости:
В отличие от плотных разрыхленные горные породы характеризуются насыпной плотностью, коэффициентом разрыхления, гранулометрическим составом, углом естественного откоса, углом внутреннего трения и др. Коэффициент разрыхления Кр равен отношению объема разрыхленной породы Vр к объему ее в массиве (целике):
Насыпная плотность ρн зависит от величины плотности породы в массиве ρ и коэффициента ее разрыхления Кр и определяется их отношением:
Коэффициент разрыхления и насыпная плотность зависят от гранулометрического состава рыхлой массы, формы и взаимного расположения кусков разрушенной (рыхлой) породы, продолжительности нахождения в рыхлом состоянии (степени самоуплотнения), давления (столба рыхлой массы), вместимости и формы сосудов (подъемных и транспортных), в которых размещается порода.
Вопрос №44 (Процессы подготовки массива пород к выемке: осушение, разупрочнение, упрочнение, выщелачивание)
ОСУШЕНИЕ МАССИВОВ
Обводненность массивов горных пород вызывает снижение их несущей способности, сползание бортов карьеров и отвалов, прилипание и примерзание породы к механизмам, пучение и другие отрицательные явления. Осушением достигается упрочнение горных пород, повышение их устойчивости и т. д.
Так как процесс осушения связан с распространением воды в породах, ее накоплением и удалением из пород, в расчетах систем осушения непосредственно используются гидравлические характеристики пород —- коэффициенты фильтрации и водопроницаемости, а также естественная влажность и водоотдача горных пород.
Для восстановления водопритока применяют методы, увеличивающие проницаемость массива пород, — торпедирование, простреливание, гидравлический разрыв пласта, соляно-кислотную обработку скважин и т. д.
РАЗУПРОЧНЕНИЕ ПОРОД
Разупрочнение (ослабление) пород — технологический процесс, применяемый с целью либо исключения буровзрывных работ, либо повышения их эффективности. Ослаблению чаще всего подвергают мерзлые горные породы. Как известно, из-за смерзаемости рыхлых и связных пород вскрышные работы, открытая добыча мягких и влажных руд, глин, песка, гравия в зим-нее время затруднены.
|
|
УПРОЧНЕНИЕ ПОРОД
При упрочнении используют физические явления уплотнения пород в результате тампонажа, искусственного замораживания, химических и электрохимических реакций, плавления, а также воздействия ударных волн.
Тампонаж пород состоит в нагнетании через скважины в закрепляемый массив под давлением тампонажного раствора, способного вытеснить из трещин и пустот воду, заполнить их и затвердеть; по типу используемых растворов тампонаж подразделяют на цементацию, глинизацию и битуминизацию.
Искусственное замораживание широко используется при проходке шахтных стволов и подземных выработокв обводненных и рыхлых породах.
Закрепление пород химическим воздействием (силикатизация) заключается в том, что в породу нагнетают два химических раствора (коллоидный раствор силиката натрия — жидкое стекло и раствор хлористого кальция). Растворы вступают в реакцию между собой, в результате которой выделяется гидрогель кремневой кислоты, закрепляющий породу. Получившаяся прочная масса не растворяется в воде.
Электрохимическое закрепление осуществляют путем пропускания постоянного электрического тока через влажные породы. В результате реакции калий и натрий, имеющиеся в насыщающих породу водах, замещаются водородом иалюминием или железом и в породе образуются гидраты окиси металлов
При электроплавлении водоносные пески нагревают пропусканием электрического тока до температуры 1700— 1800 °С, в результате чего песок расплавляется. Остывшая масса образует стекловидное вещество высокой прочности, водонепроницаемое и не разрушаемое агрессивными растворами.
Уплотнение пород взрывом применяется для создания и одновременно укрепления различных полостей в массивах связных пород — лёссах, глинах и суглинках.