книги из ГПНТБ / Лобанов, Д. П. Гидромеханизация геологоразведочных и горных работ учеб. пособие

2) возможности представить соотношение между размерными физи­ ческими величинами в виде соотношения между безразмерными величинами (я-теорема). Формулы размерности физических вели­ чин имеют вид степенных одночленов, т. е.

Примеры использования теории размерностей приведены в гл. III

идругих разделах.

§4. ОСОБЕННОСТИ ГИДРОДИНАМИЧЕСКИХ ЯВЛЕНИЙ

ПРИ ГИДРОМЕХАНИЗАЦИИ

Гидродинамические явления составляют физическую сущность трех основных технологических процессов гидромеханизации: 1) раз­ рушения связных или находящихся в целике горных пород гидравли­ ческими струями различных параметров; 2) гидравлического транс­ портирования частиц илн кусков горных пород открытыми или напорпыми потоками жидкости; 3) намыва осаждаемых частиц или кусков горных пород в отвалах, горных выработках или специальных сооружениях.

В соответствии с этим различные гидродинамические явления сопровождают воздействия струи на преграду в виде целика горной породы или грунта, движение потоков жидкости с твердыми части­ цами, осаждение частиц в жидкости при условиях свободного или стеспеиного падения и фильтрацию жидкости через целик пли раз­ рыхленный массив горных пород (грунта).

Вследствие непрерывности технологических процессов гидро­ механизации теоретически можно рассматривать гидродинамиче­ ские явления как отражающие установившиеся формы движения по­ токов.

Как движение потоков воды, так и движение гидросмесей, про­ исходит в фиксированных внешних твердых границах, а переносимые частицы в процессе движения сохраняют в основном свою форму и массу (хотя могут быть и отклонения).

Другой особенностью является наличие внутренних поверхностей раздела между жидкостью (водой) и твердыми телами, на которых возникают сложные силовые взаимодействия, существенно влияю­ щие на изменение скоростей и давления; поверхности раздела не­ устойчивы и быстро разрушаются, образуя вихревые массы различ­ ных размеров. Движение твердых частиц значительно усложняет вихревую структуру потока.

20

Г л а в а II

ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ГИДРОСМЕСЕЙ ИЗ РАЗЛИЧНЫХ ГОРНЫХ ПОРОД

§1. ПРОЧНОСТНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ГОРНЫХ ПОРОД

Впроцессах гидромеханизации потоки жидкости или струи воздействуют на горные породы, находящиеся в естественном состоя­ нии (в целике), разрыхленном с помощью взрыва или другого вида

испособа разрушения, либо в раздробленном (измельченном) состоя­ нии. Во всех состояниях горные породы обладают прочностными

характеристиками, учет которых имеет большое практическое зна­ чение.

Различные свойства горных пород, в т. ч. прочностные харак­ теристики их в коре выветривания и в дробленом или измельченном состоянии под действием естественных или искусственных факторов определяются г е н е з и с о м п о р о д . В зависимости от генезиса, как известно, различают две основные генетические группы горных

■а также различные наносы и почвы часто называют грунтами (по строительной терминологии).

И з в е р ж е н н ы е г о р н ы е п о р о д ы обладают наиболь­ шей прочностью и четко выраженными свойствами твердого тела — упругостью и др. К таким породам можно отнести кварциты, базальты тн др. В коре выветривания прочность пород постепенно уменьшается с выходом на поверхность.

О с а д о ч н ы е г о р н ы е п о р о д ы имеют наиболее разно­ образные прочностные характеристики. Одни из иих представлены в виде твердых разностей, другие — в виде рыхлых образований, между составляющими элементами которых нет прочностных связей (осадки). К таким породам можно отнести пески, галечники и др. Некоторые породы выражены пластичными твердыми телами (глины), в которых проявляются структурные связи коллоидной природы.

22

М е т а м о р ф и з о в а н и ы е г о р н ы е п о р о д ы в зави­ симости от направленности протекания процесса могут иметь мень­ шую или большую прочность, чем первоначальные породы. Под влиянием глубинного метаморфизма прочность изверженных пород, уменьшается (за счет расслапцевания и слоистости). В свою оче­ редь метаморфизм осадочных отложений приводит к повышению проч­ ности и устойчивости горных пород.

П о ч в ы — рыхлый поверхностный слой коры выветривания. По составу и прочностным свойствам почва обычно резко отличается от нижележащих слоев горных пород, из которых она образовалась- (вследствие дополнительного воздействия растительных и животных организмов).

Прочность горных пород зависит не только от минерального со­ става, но определяется главным образом в н у т р е н н и м и с в я ­ з я м и между слагающими породу элементами. Так, у песчаника прочностные характеристики в зависимости от степени цементации изменяются для слабых и прочных разностей в несколько сотен раз. То же относится к известнякам, например, кристаллическим и ра­ кушечным, сланцам и др.

При гидромеханизации разрушению струями воды подвергаются в основном рыхлые осадочные породы и слабые полезные иско­

ботки встречаются все виды горных пород и полезных иско­ паемых.

Таким образом, в зависимости от характера связей горные породы

определяются следующими факторами: кавернозностыо, трещинова­ тостью, пористостью, слоистостью п др.

Процессы гидромеханизации наиболее широко применяют в рабо­ тах с осадочными породами. В этой разновидности большую долю занимают г л и н и с т ы е породы. К глинистой фракции, обусловли­ вающей характерные свойства содержащих ее пород, относят продукты, выветривания в виде частиц крупностью от 10 до 0,001 мк. Высокая степень раздробленности, или иначе д и с п е р с н о с т и , глинистых частиц обусловливает их большую удельную поверхность. Этотфакт в свою очередь вызывает проявление при определенных условиях (особенно в воде) свойств, наиболее характерных для коллоидных систем.

М е х а н и ч е с к а я п р о ч н о с т ь ( ж е с т к о с т ь ) г о р ­

п р о ч н о с т ь ю п о н и м а е т с я с п о с о б н о с т ь п о р о д , с о п р о т и в л я т ь с я в н е ш н и м с и л а м (нагрузкам).

23:

Различают жесткость на сжатие, растяжение, изгиб, сопротивле­ ние срезу и на удар (вязкость пород). Эти характеристики получают в процессе испытаний. Наиболее распространенными испытаниями прочности твердых горных пород являются и с п ы т а н и я н а с ж а т и е и с д в и г .

Жесткость на сжатие характеризуется в р е м е н н ы м с о п р о - т и в л е н и е м с ж а т и ю стСж [Н /мг], которое выражает предель­ ную нагрузку разрушения образца. Для определения данной харак­ теристики из породы выпиливают образцы правильной формы в виде цилиндра или куба (обычно с размерами сторон 7—10 см) и раз­ давливают их прессом. Чем больше степень неоднородности породы (по структуре, трещиноватости и пр.), тем больших размеров берется ■образец (до 40 см). Количество образцов для одной разности породы — не менее трех.

Сопротивление сжатию пород обычно различно в разных направле­ ниях, что зависит от слоистости и других факторов. Поэтому при подготовке и испытании образцов их необходимо ориентировать в соответствии с условиями залегания и плоскостями напластования. Кроме того, следует учитывать влияние на этот показатель прочности ■структуры, порпстостп (трещиноватости), степени выветрелости и других факторов. В табл. 1 приведены примерные значения времен­ ного сопротивления сжатию для отдельных пород (предел проч­

ности).

Таблица 1

Значении асж для некоторых горных пород

Известняки:

В соответствии с табл. 1 наибольшими значениями осж обладают породы с жесткой связью между зернами. Чем меньше сцементиро­ ваны, особенно в осадочных породах, зерна или чем больше под­ вергнуты породы выветриванию, тем этот показатель ниже.

Временное сопротивление пород растяжению составляет в сред­ нем около 0,1 о сж, а скалыванию 0,07 асж.

Отдельные горные породы, например, глинистые и. особенно рыхлые песчаные отложения под действием внешней нагрузки умень­ шаются в объеме, т. е. с ж и м а ю т с я или дают у с а д к у . Если уменьшение объема происходит без бокового расширения в процессе -сжатия, то усадка происходит за счет уменьшения пористости по­

М

роды, т. е. вследствие сближения твердых частиц, а также их разру­ шения.

Величина сжатия рыхлых песчаных пород зависит от размера и формы частиц и от примеси глины. Сжатие чистых песков мало. Характерной особенностью этих пород является их способность- к уплотнению при вибрациях. В свою очередь при насыщении водой они быстро переходят в неустойчивое — п л ы в у н н о е с о с т о я - н и е.

Сжимаемость глинистых пород в значительной степени опреде­ ляется нх структурой (т. е. прочносттпо связей между частицами), пористостью и влажностью. При

литных, так и для несцементированных (песчаных или обломочных) п глинистых горных пород. Для последних этот показатель имеет значение для количественной оценки устойчивости склонов, для определения угла заложения откосов канав и некоторых других выработок.

Силхл сопротивления в твердых породах обусловливаются жест­ кими связями между зернами. Поэтому сдвигающие силы в них дают с к о л . В рыхлых и глинистых породах сопротивление сдвигу имеет более сложный характер и складывается из сопротивления трения на поверхности зерен (слоя) и сопротивления их перемеще­ нию. Сопротивление породы сдвигу зависит от пористости, влаж­ ности и степени нарушениости структуры.

Для оценки сопротивления сдвигу пользуются понятием к о э ф ­

к поверхности скольжения; показатель определяется на специаль­ ных образцах (рис. 4).

На практике широко пользуются понятием к р е п о с т ь пород, под которым понимают их суммарное сопротивление воздействию

д о й п р и п р о в е д е н и и г о р н ы х в ы р а б о т о к и л и

пр и б у р е н и и .

Втехнологии гидромеханизации пользуются классификацией пород по крепости, основанной на оценке сопротивляемости их про­ ведению выработок (М. М. Протодьяконова — старшего). Выражается

25

•сопротивляемость к о э ф ф и ц и е и т о м к р е п о с т и /, устана­ вливаемым для каждой породы по прочностным характеристикамо,.ж. По величине / все породы подразделяются на категории. В табл. 2 приведены данные для наиболее характерных пород, встречающихся в практике гидромеханизации (I—III категории наиболее крепких пород, / = 8—20).

§ 2. О ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВАХ ГОРНЫХ ПОРОД

зависит от пористости породы. Для твердых горных пород вслед­ ствие малой их пористости значения удельного и объемного весов близки. Эта величина определяется на образцах правильной формы, для которых измеряется объем и вес в сухом состоянии.

П о р и с т о с т ь определяется разностью объема пробы в есте­ ственном и предельно плотном состоянии, отнесенной к объему в есте­ ственном состоянии. Пористость, например, песков аллювия 42%,

Вгидромеханизации пользуются также понятием в о д о п о г л о ­

ще н и е. Способность породы поглощать воду выражается отноше­ нием количества поглощенной воды к весу сухой.породы и обозна­ чается w.

26

временного сопротивления породы сжатию после и до насыщения водой. Эта величина зависит от пористости породы. Устойчивыми

ческих свойствах горных пород. Различают: 1) механическое воздей­ ствие, связанное с гидродинамическими и другими воздействиями; 2) физические (в основном капиллярные явления) и 3) физи­ ко-химические, связанные в основном с поверхностными явле­ ниями.

Количество воды, содержащееся в порах пород в естественном

шения разности в весе образца до и после его высушивания к весу абсолютно сухого образца. По аналогии определяется и объемная влажность.

Различают гигроскопическую (связанную с поверхностью частиц), конституционную (химически связанную с кристаллической решет­ кой) и капиллярную влажность. Суммарное содержание воды вс§х

сопротивление проникновению твердого тела. Этот показатель приблизительно определяют, как и твердость минералов (по шкалеМооса). Однако для гидромеханизации этот показатель лучше

ставляют в виде потери в весе породы при истирании в определенных условиях.

Г р а н у л о м е т р и ч е с к и й с о с т а в характеризует гор­ ную породу по крупности. Выражают его в виде относительногосодержания в породе фракций частиц различных размеров. Под. фракциями понимаются группы зерен в пределах определенных размеров.

Гранулометрический анализ, выполняемый обычно механическим способом, часто называют механическим. Для частиц более 0,1 — 0,25 мм пользуются набором сит. Для более мелких частиц исполь­ зуют способ, основанный на разделении их под действием силы тя­ жести при оседании в жидкости.

Крупность частиц и кусков материала имеет важнейшее значе­ ние при решении инженерных задач. Например, после отбойки (дробления) горных пород размеры из кусков достигают 200 —300 мм в поперечнике. При этом оказывается, что для отдельных фракций частиц и кусков характерны различные гидромеханические процессы при их перемещении в потоках воды или воздуха:

27

к у с к о в а я ф р а к ц и я с размерами кусков от 200 до 40 мм '{в инженерной геологии — галька) в потоках воды и воздуха пере­ мещается по ыижней стенке трубопровода или желоба; характери­

и частиц от 40 до 6 мм (крупный гравий) в потоках воды и воздуха

сва) с размерами частиц от 6 до 2 мм в поперечнике в потоках воды и воздуха перемещается скачкообразно с относительно малым пери­ одом пребывания во взвешенном состоянии и характеризуется зна­

(пески) в потоках воды перемещается с относительно большим пре­ быванием частиц во взвешенном состоянии; характеризуется не­ значительными скоростями свободного падения в среде; в воздуш­ ном потоке перемещается прерывным взвешиванием всем сечением потока;

п ы л е в а я ф р а к ц и я с размерами частиц примерно 0,15— ■0,05 мм (тонкие пески) в потоках воды и воздуха перемещается во взве­ шенном состоянии; характеризуется небольшими скоростями свобод­ ного падения в среде; с водой дает динамически устойчивые смеси; и л о в а я ф р а к ц и я с размерами частиц около 0,01 —0,005 мм (пыль) в потоках воды и воздуха перемещается во взвешенном со­ стоянии; в воде осаждается медленно и образует статически устой­

чивые смеси; г л и н и с т а я ф р а к ц и я с размерами частиц менее 0,005 мм

с водой дает практически коллоиды; осаждается в воде и воздухе крайне медленно.

Кусковая и крупнозернистая фракции в диапазоне наиболее упо­ требительной крупности кусков и частиц от 2—6 до 80 мм имеют мало отличающиеся характеристики режима транспортирования и механических свойств. Для удобства обе эти фракции будем в дальнейшем называть кусковыми, пылевую, иловую и глинистую — тонкодисперспыми, а песчаную — грубодисперсной фракцией.

В грунтоведении пользуются нормативными указаниями, по ко­ торым к г л и н а м относят грунты с содержанием частиц диаметром

(пески) с содержанием частиц размерами более 2 мм от 10 до 35% (при большем содержании эти грунты называют г р а в и е м ) ; пески, содержащие фракции примерно в одинаковой пропорции, называют р а з н о з е р н и с т ы м и .

Для наглядного изображения результатов гранулометрического анализа строят графики. Эти графики называют к р и в ы м и г р а ­ н у л о м е т р и ч е с к о г о с о с т а в а . Изображают эти графики в обыкновенном или в полулогарифмическом (для очень маленьких

28

частиц) масштабе. В первом случае по оси ординат откладывают процент содержания фракций, а по оси абсцисс — размеры частиц d в миллиметрах (рис. 5). Каждая цифра указывает суммарное содержа­ ние фракций меньше определенного размера. В полулогарифмиче­ ском масштабе по оси абсцисс откладывают логарифмы размеров частиц.

Гранулометрический состав пород в процессах гидромеханиза­ ции непрерывно изменяется, поэтому часто его представляют в виде среднего фракционного содержания частиц за определенный интервал времени. Наиболее однородными по гранулометрическому составу являются пылевидные, а также измельченные руды, разрыхленные грунты, мелкие классы угля и др.

Среднее фракционное содержание может определяться как средне­ арифметическое (для соответствующего диаметра или поперечного размера фракций) и как сред­ невзвешенное. Если в породах содержатся различные по круп­ ности фракции,то средний диа­ метр нескольких фракций уста­ навливается по формуле

жание фракций но весу.

Деградация пород является следствием движения их в потоках жидкости. Характеризует степень разрушения частиц (окатывание, уменьшение размеров) при соприкосновении их с твердыми грани­ цами потока и определяется прочностными свойствами пород. Уста­ навливается лабораторными исследованиями во вращающихся бара­ банах, в трубе — кольце (или таре).

§ 3. ВИДЫ ГИДРОСМЕСЕЙ И ИХ ОСОБЕННОСТИ

Гидросмеси — это механические смеси частиц горных пород определенной крупности с жидкостью (водой). Разнообразие условий технологических процессов гидромеханизации, выполняемых в . раз­ личных производствах с сыпучими материалами, определяет состав

29