Горные машины

к травмированию людей, разрушению крепи, коммуникаций и пр. Поэтому при проведении горно-разведочных выработок в таких породах необходимо тщательно выполнять закладку пустот за крепью, соблюдать особую осторожность при выполнении проходческих процессов.

Трещиноватость – это также одно из характерных свойств массива горных пород. Различают следующие типы трещин: тектонические, трещины отдельности, выветривания, откоса, отслаивания, напластования и смещения.

Трещины по происхождению делятся на прирожденные и тектонические.

Прирожденная трещиноватость возникает в процессе превращения осадка в породу вследствие сокращения объема вещества. Образуется при этом целая система трещин основных и торцовых, расположенных поперек основных. Трещины нередко заполнены минеральным веществом.

32

Под влиянием тектонических сил в породах возникают новые трещины – тектонические, которые направлены под разными углами к напластованию. На поверхности этих трещин часто имеются бороздки и зеркала скольжения. Совокупность прирожденных и тектонических трещин приводит к значительному снижению прочностных свойств по-

33

род в массиве. В результате этого возникают прихваты бурового инструмента в процессе бурения, обрушение кровли, стенок выработок и пр.

Трещиноватость горных пород определяется по числу трещин или расстоянию между ними.

Классификация массивов скальных пород по степени трещиноватости приведена в табл. 5.

§ 3. МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ГОРНЫХ ПОРОД

Механические свойства горных пород являются разновидностью физических свойств. Они выражаются в способности горных пород оказывать сопротивление деформированию и разрушению под действием внешних сил. К ним относятся: прочность, абразивность, упругость, хрупкость, пластичность и др.

Прочностью горной породы называется способность ее сопротивляться внешним силам, стремящимся разрушить связь между зернами, слагающими эту породу. Она в значительной степени зависит от способа деформации. Поэтому различают прочность на сжатие, растяжение, изгиб и скалывание. Прочность пород также зависит от их минералогического состава, структуры, текстуры, пористости, характера связи между зернами, твердости частиц и степени выветривания. Мелкозернистые породы обладают большей прочностью, чем крупнозернистые. Прочность сцементированных пород зависит от рода цемента. Прочность глинистых пород падает с увеличением влажности.

С увеличением плотности прочность, как правило, возрастает. Наибольшая прочность горных пород проявляется при сжатии. Она характеризуется отношением усилия, разрушающего образец (Рк, Н), к площади поперечного сечения образца (F, м2):

σсж = Рк / F.

При всестороннем объемном сжатии (забой шпура, скважины) сопротивление пород увеличивается. Сопротивление горных пород сжатию изменяется в зависимости от направления действия сил по отношению к кристаллографическим осям, слоистости и сланцеватости пород. Так, у сланцевых пород прочность вдоль плоскости сланцеватости составляет 0,5–0,75 от прочности в направлении, перпендикулярном к этой плоскости.

Прочность при скалывании в 10–15 раз меньше прочности на сжатие, а прочность при растяжении в 1,5–2 раза меньше, чем прочность при скалывании.

Прочность наиболее распространенных пород на одноосное сжатие приведена в табл. 6.

34

Твердостью называется способность пород оказывать сопротивление проникновению в нее другого, более твердого тела и является частным случаем прочности при местном приложении разрушающих нагрузок. Это очень важное свойство горных пород, определяющее величину внедрения лезвия головки буров (резцов) и поэтому существенно влияющее на скорость бурения шпуров, скважин.

Различают агрегатную твердость, т. е. твердость породы в целом, и твердость отдельных минералов, из которых состоит порода. Агрегатная твердость зависит от твердости отдельных минеральных зерен, цементирующего вещества и плотности горной породы. Она в основном влияет на скорость разрушения породы при бурении шпуров. Твердость отдельных минералов влияет на износ резцов породоразрушающего инструмента и сказывается на интенсивности разрушения породы только во времени.

Твердость горных пород зависит также от способа приложения нагрузок, которые могут быть статическими и динамическими. Динамическая твердость почти в 10 раз меньше статической.

Твердость можно определять различными методами: царапаньем, затухающими колебаниями, вдавливанием штампа, истиранием, резанием, отскоком бойка и др.

Абразивностью называется способность горной породы изнашивать контактирующие с ней поверхности горных машин или горного оборудования в процессе их работы.

Абразивность пород зависит от твердости породообразующих минералов, характера сцепления зерен друг с другом, крупности и формы

35

зерен, плотности пород и степени ее трещиноватости. Чем тверже и крупнее зерна минералов, чем острее их ребра, тем выше абразивность пород. Наибольшей абразивностью обладает порода с мягким цементом.

Абразивность горных пород имеет существенное влияние на техни- ко-экономические показатели проведения горно-разведочных выработок (выбор более или менее энергоемких и трудоемких средств бурения шпуров, погрузки породы, обмена вагонеток и пр.).

§ 4. ДЕФОРМАЦИОННЫЕ СВОЙСТВА ГОРНЫХ ПОРОД

Горные породы под действием приложенных нагрузок в одних случаях меняют только свою форму и объем без разрыва сплошности (пластичная деформация), в других разрушаются на отдельные элементы без заметной пластичной деформации. В связи с этим выделяют такие важные свойства пород, как пластичность, хрупкость и упругость.

Пластичностью горных пород называется свойство горных пород в известных условиях и пределах под воздействием сил претерпевать остаточную деформацию (пластические деформации после снятия нагрузки) без микроскопических нарушений сплошности.

Пластичности обычно противопоставляется понятие хрупкость, т. е. способность горных пород под воздействием сил разрушаться без заметных пластических деформаций. Эти породы имеют слабую сопротивляемость разрушению при действии на нее ударной нагрузки. В породах с повышенной хрупкостью повышается эффект взрыва, но увеличиваются переборы по сечению, что приводит к лишним затратам при погрузке породы, креплении выработки и пр.

Упругость – способность породы восстанавливать первоначальную форму и объем после снятия нагрузки.

Проявление тех или иных свойств горных пород в значительной мере связано с условиями нагружения.

При мгновенном нагружении многие горные породы (песчаники, сланцы и др.) разрушаются на отдельные осколки, проявляя типичное свойство хрупкости. Вместе с тем эти же породы при постепенном нагружении ведут себя как упругие тела, т. е. пропорционально силам растут деформации. При длительном воздействии нагрузки в них проявляются остаточные деформации, т. е. породы проявляют пластичность.

Таким образом, упругость, хрупкость и пластичность имеют относительный характер.

Хрупкость и пластичность оцениваются коэффициентом пластичности (хрупкости), равным отношению общей работы деформации до разрушения Аобщ к работе упругой деформации Аупр, т. е. k = Аобщ / Аупр.

36

Хрупкое разрушение в чистом виде оценивается коэффициентом k = l. При пластических свойствах коэффициент k увеличивается.

Упругость твердых горных пород характеризуется модулем упругости Е (модуль Юнга), коэффициентом Пуассона μ, модулем сдвига G. Кроме них иногда пользуются такими показателями, как модуль деформации Е0 и динамический модуль упругости ЕД.

Модуль Юнга представляет собой отношение нормального напряжения σ, к относительной деформации ζу.

Коэффициент Пуассона представляет собой отношение относительных деформаций – поперечной к продольной: μ = ζу1/ ζу .

Модуль Юнга и коэффициент Пуассона вычисляют по данным лабораторных испытаний пород.

Модуль сдвига по сложности его определения лабораторным путем может быть определен по формуле

G = 2(1E+ μ) .

Модуль деформации есть отношение нормального напряжения к полной относительной деформации ЕП, т. е. Е0 = σ/ ЕП.

Необходимость введения этого модуля связана как с криволинейной зависимостью между деформациями и напряжениями, так и с неоднородностью горных пород. Чем больше в породе слабых зерен, а также чем выше пористость этой породы, тем быстрее возникают остаточные деформации и величины их больше.

Величины модулей упругости и деформации зависят от влажности: с увеличением последней модули снижаются.

Динамический модуль упругости ЕД определяется на основе измерения скорости продольных ультразвуковых волн, которая связана с ним функциональной зависимостью.

Определение упругих характеристик Е и μ связано с проведением тщательных и достаточно точных измерений деформации образца породы при сжатии или изгибе. На практике в настоящее время для измерения малых деформаций пользуются индикаторами часового типа или же электрическими тензодатчиками сопротивления.

Вязкость – это сопротивление пород силам, стремящимся разъединить их частицы. В однородных и простых породах вязкость равномерна во всех направлениях. В породах неоднородного сложения или сложных вязкость, как и твердость, меньше вдоль слоев и больше в направлении, перпендикулярномкслоям. Наибольшей вязкостью обладают мелкозернистыепороды.

Разрыхляемость – способность горных пород к разукрупнению, разрыхлению и укладке (в т. ч. и в емкости).

37

Разрыхляемость породы характеризуется коэффициентом разрых-

ления kр.

Коэффициент разрыхления – это отношение объема породы в состоянии разрыхления Vр к первоначальному объему той же породы в массиве V, т. е.

kр = Vр / V.

Величина его всегда больше единицы и зависит как от крепости горной породы, так и от способа ее разрушения (табл. 7).

Разрыхляемость существенно влияет на продолжительность процесса погрузки пород. При больших значениях коэффициента разрыхления требуется загрузить большее число вагонов или бадей, произвести большее число черпаний ковшом породопогрузочной машины.

§ 5. ГОРНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПОРОД

Буримость – способность горной породы сопротивляться проникновению в нее бурового инструмента. Буримость породы характеризуют скоростью бурения (мм/мин), реже – продолжительностью бурения 1 м шпура (мин/м).

Буримость горных пород положена в основу современной классификации горных пород.

38

Взрываемостъ горных пород – сопротивляемость горной породы разрушению действием взрыва ВВ. Определяется удельным расходом ВВ (кг/м3) или количеством энергии (удельная затрата энергии ВВ), необходимым для образования прямоугольной воронки взрыва при глубине заложения заряда 1 м при помещении его в шпур с конечным диаметром 40 мм, расположенный под углом 45° к горизонтальной свободной поверхности.

Показатели буримости и взрываемости являются функцией комплексного влияния природных и технических факторов. Буримость влияет на выбор технических средств (способ бурения, тип бурового оборудования и инструмента и пр.) и технологических параметров бурения (частота вращения, осевое усилие, способ и полнота удаления из забоя шпура продуктов разрушения и пр.) и на последующие техникоэкономические показатели рабочего процесса.

Взрываемость определяет выбор типа ВВ, конструкции вруба, заряда и пр. Буримость и взрываемость позволяют оценить трудность бурения и взрывания одной породы по сравнению с другой, а следовательно, дают горному инженеру инструмент для оценки и нормирования работ, связанных с бурением и взрыванием массивов пород с различными свойствами.

Понятие буримости и взрываемости развивают понятие крепости при конкретных видах работ.

Крепость – способность горной породы сопротивляться бурению, отбойке, взрыванию и другим внешним воздействиям, т. е. сопротивляться разрушению от действия внешних усилий. Понятие о крепости дает общую характеристику горной породы при любых производственных процессах, в том числе при бурении и взрывании. Наиболее распространено определение крепости породы по временному сопротивлению на раздавливание.

§ 6. КЛАССИФИКАЦИЯ ГОРНЫХ ПОРОД

Для практических целей классификация горных пород необходима при нормировании труда на отдельных видах работ.

Почти все горные процессы – отделение породы от массива, ее перемещение, дробление, сортировка, проветривание выработок, управление горным давлением – зависят в первую очередь от свойств пород.

Изучение физических свойств пород возможно только на основе обобщения их классификации по физическим свойствам.

Первые попытки классифицировать горные породы относятся к концу XVIII в.

39

Внастоящее время известны классификации горных пород М.М. Протодьяконова, П.М. Цимбаревича, А.Ф. Суханова, В.В. Ржевского, Союзвзрывпрома, Криворожская, Главшахтстроя, по буримости, взрываемости и др.

Известные классификации горных пород в работе [39] разбиваются на две большие группы: общие и частные.

Вобщих классификациях горные породы разбиваются на большие группы по генетическому принципу, признаку минерального состава, по признаку строения или по тому и другому одновременно.

Частные классификации для целей горного дела используются при решении производственных или научных задач и основаны на разделении пород по какому-либо одному физическому свойству или характеристике.

Из частных классификаций можно указать:

•классификацию горных пород по коэффициенту крепости (различают породы в основном по пределу прочности на сжатие);

•по пористости, плотности, твердости, электропроводности, теплопроводности и т. д.;

•технологические классификации по какому-либо технологическому параметру (по буримости, взрываемости, экскавации, дробимости, обогатимости и др.).

Все общие классификации пород являются качественными, харак-

теризующими минеральный состав и строение пород как основные факторы, от которых зависят физические свойства пород. Однако они не содержат в себе количественного признака.

Частные классификации являются количественными классификациями, но они построены по отдельным (единичным) свойствам пород без учета тех качественных показателей из общих классификаций, которые, по существу, определяют все их свойства.

В настоящее время наибольшее распространение нашли частные классификации.

Наиболее известной классификацией горных пород по крепости является шкала проф. М.М. Протодьяконова, в которой породы характеризуются коэффициентом крепости (табл. 8), являющимся относительной характеристикой рассматриваемой породы по сравнению с глинами, крепость которых принята за единицу.

40