Лекция 5. Физико-механические свойства горных пород месторождений твердых полезных ископаемых

Горные породы разного возраста, происхождения и петрографического состава, участвующие в геологическом строении месторождений полезных ископаемых, шахтных и карьерных полей, одновременно являются геологической средой для горных выработок и материалом, из которого образуются отвалы. От физико-механических свойств горных пород существенно зависят конструкции горных выработок (уступов и откосов бортов карьеров, подземных выработок и др.), их устойчивость, развитие разнообразных неблагоприятных геологических явлений, обводненность горных выработок, а также выбор способа вскрытия и системы разработки месторождений и в целом условия производства строительных и горных работ. Поэтому при инженерно-геологическом изучении месторождений полезных ископаемых физико-механическим свойствам горных пород должно уделяться особенное внимание. Показатели этих свойств позволяют количественно оценивать горные породы и развитие неблагоприятных геологических процессов и явлений.

Физико-механическими свойствами горных пород следует называть такие, которые определяют их физическое состояние, отношение к воде и закономерности изменчивости прочности и деформаций. Соответственно необходимо различать свойства физические, водные и механические. Их выражают и оценивают с помощью определенных показателей - характеристик. При решении многих задач, связанных с проектированием, строительством горных сооружений и выполнением горных работ, важное значение имеют также тепловые свойства пород (теплопроводность, температуропроводность и теплоемкость) и дополнительные показатели их физико-механических свойств (крепость, твердость, истираемость, износ и абразивность, разрабатываемость, буримость, морозоустойчивость и др.).

Для пород относительно твердых (полускальных), а также глинистых и частично рыхлых несвязных характерна зависимость их механических свойств от напряженно-деформируемого состояния во времени. Эта зависимость проявляется в виде: а) ползучести (крипа), т. е. медленного нарастания во времени пластических деформаций при неизменном напряжении, часто меньшем, чем разрушающее;

б) релаксации, т. е. убывания (расслабления) напряжения, необходимого для поддержании постоянной деформации породы; в) снижения прочности, т. е. уменьшения напряжения, вызывающего разрушение породы при увеличении времени воздействия нагрузки (длительная прочность). Эти реологические свойства перечисленных групп горных пород, в отличие от твердых (скальных), проявляются в обычных условиях во времени, соизмеримом со сроками испытании пород, службы сооружений и т. д.

5.1. Плотность и пористость. Плотность горных пород, которая определяется соотношением между объемами твердых частиц, водой и воздухом (газом), оценивается рядом показателей: плотностью минеральной части, плотностью естественного сложения, плотностью скелета, объемом пористости. Первые два показателя определяются опытным путем, а остальные, как правило, рассчитываются по данным плотности и влажности.

Для определений примем следующие необходимые обозначения (рис.5.1):

q_m — масса минеральной части породы, кг, г, т;

q_ж — масса поровой жидкости, кг, г, т;

V_m — объем минеральной части, см³, м³;

V_n — объем порового пространства, см³, м³;

W — весовая влажность, доли ед.

Плотность минеральной части определяется показателем ρ_m= q_m /V_m и служит для косвенного суждения о составе основных породообразующих минералов, а также для расчета пористости пород. Некоторые данные о плотности минералов и пород приводятся в таблице 5.1.

Показатель плотности пород (естественного или нарушенного сложения) зависит от объема пор и степени их заполнения водой (жидкостью):

ρ=q_m+q_ж / v_m+v_n

Поэтому его величина сама по себе не дает представления о состоянии породы, ибо при одной и той же пористости, но разной степени ее заполнения водой получаются разные значения р.

Рис.5.1. Схема к определению плотности пород