Глава 8

РАЗРУШЕНИЕ ГОРНЫХ ПОРОД

§ 1. Способы разрушения горных пород и их физико-механические свойства

При добыче угля и проведении горных выработок основной частью технологического процесса являются разрушение (отде­ление от массива) угля и горной породы и погрузка на доста-вочные средства. На разрушение угля расходуется большая часть энергии, подводимой к горной машине. Поэтому важной задачей является изыскание рациональных способов разрушения горных пород, создание рациональных конструкций исполнительных (рабочих) органов горных машин и инструмента, обеспечение опти­мальных режимов их работы.

Разрушение горных пород может производиться различными способами, в зависимости от вида энергии и способа ее прило­жения. В горной промышленности наибольшее распространение получил механический способ, осуществляемый исполнительными органами горных машин посредством различных горных инстру­ментов (резцы, шарошки, коронки, пики и др.).

При добыче угля гидравлическим способом используют для раз­рушения струи воды высокого давления; при буровзрывном спо­собе — взрывание горных пород. Теплофизические способы раз­рушения горных пород предусматривают воздействие на массив тепловой энергии; осуществляются высокотемпературной газо­вой струей, электрическим током, лучом лазера и другими ме­тодами; находятся в стадии внедрения или испытания. Термоме-ханические способы представляют собой различные комбинации теплового и механического воздействий. Геотехнологические способы добычи полезных ископаемых основаны на использовании физических и химических свойств горных пород и производятся через скважины с поверхности путем растворения (добыча соли), расплавления (добыча серы), перегонки (подземная газификация углей), выщелачивания и др.

Знание физико-механических свойств горных пород имеет большое значение для расчета горных машин, нормирования и планирования производственных процессов, для определения областей применения горных машин. Необходимо знать, от каких

73

факторов зависит сопротивление горных пород разрушению, т. е. произвести его качественную оценку, и определить его величину. Физико-механические свойства пород различны из-за разного минералогического состава, строения, условий образования и метаморфизма.

К физическим свойствам горных пород относят: плотность, пористость, влажность, звуко-, электро- и теплопроводность, разрыхляемость и другие;

к механическим свойствам — прочность, твердость, абразив-ность, упругость, пластичность, хрупкость, вязкость, крепость и др. При механическом способе разрушения горных пород важно знать связь между показателями механических свойств и их способностью к сопротивлению силовым воздействиям, а в зави­симости от вида и интенсивности последних — к изменению формы, размеров и состояния горной породы.

Прочность — свойства горной породы в определенных условиях воспринимать те или иные силовые воздействия, не раз­рушаясь. Критерием прочности являются временные сопротив­ления одноосному сжатию — сг_сж, сдвигу — а_сд и растяжению — Op. Эти три показателя находятся примерно в следующем со­отношении — а_ст : о_сд : а_р =■-• 1 : 0,3 : 0,1. Из этой зависимости видно, что для разрушения угля и горной породы выгоднее исполь­зовать силы растяжения и сдвига, чем сжатия. Прочность углей при одноосном сжатии колеблется в широких пределах — от 1 МПа у мягких бурых углей до 35 МПа у крепких антрацитов. При объемном сжатии прочность угля в несколько раз выше, чем при одноосном.

Твердость — свойство горной породы оказывать сопро­тивление, не разрушаясь при местном поверхностном контактном силовом воздействии. Твердость горных пород определяется несколькими методами при вдавливании в нее жесткого инстру­мента (приборы Бринеля и Роквелла и др.). Для определения твердости горных пород используют также показатели контактной прочности, которые могут быть определены вдавливанием ци­линдрического штампа с плоским основанием диаметром 2—5 мм в естественную (нешлифованную) поверхность образца породы. За меру контактной прочности принимают удельное давление под основанием штампа в момент хрупкого разрушения породы (выкол лунки). По величине контактной прочности породы раз­деляют на шесть классов: от слабых (менее 400 МПа) до креп­чайших (более 4500 МПа).

v Абразивность — сриГттво горной породы истирать, изнашивать инструмент, которым производится ее разрушение. Абразивность зависит главным образом от минералогического состава породы и от прикладываемых усилий. Абразивность оп­ределяется по методу Л. И. Барона и А. В. Кузнецова на спе­циальном станке посредством истирания вращающегося стер­жня — эталона о необработанную поверхность горной породы при постоянных частоте вращения эталона и удельном давлении.

74

Критерием абразивное™ считается суммарная потеря в милли­граммах массы стержня за определенное время опыта (10 мин). На основе этого метода разработана классификация горных пород по абразивности [19], предусматривающая восемь классов: от а < 5 мг — весьма мало абразивные (известняк, мрамор, ка­менная соль и др.) до а > 90 мг — наиболее абразивные (граниты, корундосодержащие породы).

*- Контактная прочность и абразивность являются основными показателями, характеризующими сопротив­ляемость горной породы разрушению резцами и шарошками ис­полнительных органов проходческих комбайнов и бурильных машин.

Упругость — свойство горной породы восстанавливать свои первоначальные форму и объем по прекращению действия на нее внешних сил. Упругие свойства пород характеризуются модулем упругости и коэффициентом Пуассона. Горные породы обычно не имеют остаточных деформаций — разрушение на­ступает, когда напряжение достигает предела упругости.

Пластичностьв противоположность упругости — свой­ство породы сохранять остаточную деформацию после прекраще­ния действия внешних сил. В подземных условиях пластичность проявляется, например, в прогибе кровли в лавах и пучении почвы в выработках.

Хрупкость — свойство горной породы разрушаться при статической нагрузке. Для хрупких пород предел упругости равен временному сопротивлению. Хрупкие угли легко разру­шаются.

Вязкость — свойство горной породы сопротивляться си­лам, стремящимся разъединить ее на части. Вязкие угли трудно поддаются разрушению.

^Крепость породы по шкале проф. М. М. Протодьяко-нова есть ее объективное интегральное свойство, зависящее от нее самой и не зависящее от способа механического воздействия при ее разрушении. При этом сам автор отмечал приближенный характер этого допущения. За единицу крепости (/ = 1) он выб­рал породу, для которой временное сопротивление одноосному сжатию составляло 10 МПа. Значения коэффициента крепости для разных пород определяют при раздавливании породного ку­бика на прессе. Все горные породы разделены автором по крепо­сти на 10 категорий с коэффициентом крепости от / = 20 для 1-й категории (наиболее крепкие породы — кварциты, базальты и др.) до / = 0,3 для 10-й категории (плывуны, разжиженный грунт и др.). Для угля /= 1-гЗ.

Несмотря на широкое распространение шкалы проф. М. М. Протодьяконова, она не полностью характеризует физико-механические свойства горных пород, так как величина / может быть неодинакова в различных условиях. Коэффициент крепости можно определить и другими методами — по работе, затрачивае­мой на дробление породы, по сопротивляемости бурению и пр.

75