Лекция 6

2.4.Обобщенные горно-технологические свойства горных пород

Крепость горных пород – характеристика сопротивляемости пород их добыванию, т.е. технологическому разрушению. Крепость пород или иначе добываемость горных пород горно-технологическое свойство горных пород, характеризующее относительную трудность их разрушения, отделения от массива и перемещения от забоя до пункта приема в процессе разработки полезных ископаемых. Добываемость определяется межмолекулярными связями в горных породах, трещиноватостью и гидрогазодинамическим состоянием пород, геологическим строением разрабатываемого массива и глубиной залегания горных пород.

Понятие крепости пород было введено ученым М.М.Протодьяконовым старшим. Для количественной оценки крепости пород был предложен коэффициент приблизительно равный пределу прочности пород при сжатии. М.М Протодьяконовым была разработана шкала крепости пород, согласно которой все горные породы подразделены на 10 категорий. К первой категории отнесены породы, имеющие наивысшую степень крепости f = 20, к десятой наиболее слабые породы f = 0,3.

Крепость пород fможно рассчитать зная пределе прочности породы при сжатии [σ_сж] по формуле

2-45

Более точно связь между пределом прочности при сжатии [σ_сж] и крепостьюf в области больших значений σ_сж может быть выражена эмпирической формулой:

2-46

Коэффициент крепости можно определить методом толчения. Берут 5 кусков породы массой приблизительно 40-60 г. каждый кусок дробят в стакане гирей массой 2,4 кг, сбрасываемой с высоты 0,6 м. После 5-15 кратного сбрасывания гири полученную мелочь просеивают через сито с отверстиями 0,5 мм. Фракцию размеров менее 0,5 мм собирают с пяти образцов и насыпают в стакан объемомера диаметром 23 мм. Определяют высоту столбика пыли в обемомере. Коэффициент крепости, который часто называются динамическим f_д вычисляют по формуле

2-47

где nчисло сбрасывания гири при испытании одного образца.

Этот метод основан на предположении, что работа разрушения породы пропорциональна объему получившихся в результате мельчайших частиц.

Добываемость ранее понималась преимущественно как крепость горных пород, что правомерно при ударном бурении шпуров и относительно небольших объемах разрушаемых пород. Добываемость в современном понимании оценивает породу в ее естественном состоянии с учетом последующих изменений после выполнения всех производственных процессов разработки. Оценивают добываемость удельными затратами энергии на разработку 1м3 породы или, что целесообразнее на практике, с помощью относительного показателя Пд, зависящего от физико-технических параметров и состояния породы, технологических условий выполнения производственных процессов.

Таблица 2-2 - Классификация добываемости горных пород

Класс пород	Категория пород	Название пород
Легко добываемые	1-5	Песок, суглинки, среднеплотные глины, алевролиты, аргиллиты, угли, мел, мергели, мягкие известняки, измененные доломиты и другие плотные и низкопрочные полускальные породы
Средней трудности добывания	6-10	Неуплотненные водонасыщенные илы, лесс и глины; плотные известняки и песчаники, слоистые мраморы, апатиты и другие среднетрещиноватые полускальные и сильнотрещиноватые скальные породы
Труднодобываемые	11-15	Водонасыщенные гидрофильные глины, тиксотропный мел, массивные мраморы, биотитовые роговики, малотрещиноватые гранодиориты, габбро, амфиболиты, диорит-порфиры,
Весьма труднодобываемые	16-20	Малотрещиноватые средне- и мелко зернистые железистые и пироксеновые роговики, базальты, джеспилиты, диабазы и другие прочные породы
Исключительно труднодобываемые	21-25	Монолитные скарны, змеевики, неизмененные базальты,

Хрупкость и пластичность пород. Известно, что пластичность пород увеличивает энергоемкость дробления и измельчения породы. Так как пластические свойства пород и обратные им – хрупкие существенно сказываются на процессах разрушения, в практике горного производства используют различные горно-технологические показатели пластичности и хрупкости.

В качестве технологического показателя пластичности принимают параметр, определяющий, во сколько раз удельная работа разрушения образца реальной породы А_рпри одноосном сжатии выше удельной работы разрушения идеально упругой породы А_ус тем же пределом прочности при сжатии.

Удельную работу разрушения по площади диаграммы напряжение-деформация (Рис. 2-5).

Коэффициент пластичности определяют по формуле

2-48

Рисунок 2-5.К расчету коэффициента пластичности и хрупкости пород (tgα, tgά – соответственно модули Юнга и полной деформации

Хрупкость- способность горных пород к разрушению без заметных пластических деформаций (не более 5 % от величины деформаций разрушения).Для оценки хрупких свойств пород введен коэффициент хрупкостиk_хр,, представляющий собой отношение работы А_у, затраченной на деформирование образца в чисто упругой области, к полной работе А_п, затраченной на разрушение образца

2-49

Определенный по данной методике коэффициент хрупкости для мрамора составляет 0,13, известняка 0,23, железистого кварцита 0,38.с ростом прочности пород на одноосное сжатие коэффициент хрупкости возрастает.

Коэффициент хрупкости можно рассчитать по отношению пределов прочности породы при сжатии и растяжении

2-50

или по отношению предела упругости σ_Еи предела прочности при сжатии σ_сж

2-51

k_хр- равный отношению σ_сж/σ_ри равный отношению удельной энергии упругого деформирования породы к удельной энергии её разрушения.

Более полно с физической точки зрения характеризует хрупкость породы k_хр, т. к. базируется на комплексе физических свойств (прочностных, упругих, пластических), напрямую связанных с процессом разрушения. Идеально пластичные и хрупкие породы имеют соответственноk_хр= 0 и к_хр = 1,0. У реальных пород к_хр= 0,05 - 0,6 (например у мрамора 0,067; роговика 0,19; джеспилита 0,5). Как правило, более высокие значения коэффициента хрупкости имеют породы с большими значениями сжимающих напряжений и модулями Юнга. Знание коэффициента хрупкости горных пород позволяет объективно оценивать предрасположенность горных пород к хрупкому разрушению в процессах горного производства позволяет (бурение, дробление, взрывание, управление горным давлением, прогнозирование горных ударов и выбросов).

Твердость горных породопределяет сопротивляемость горных пород внедрению в них острого инструмента, сопротивление горных пород разрушению при точечном контактом нагружении. Твердость минералов оценивают по шкале Мооса. В зависимости от того, вдавливается инструмент в породу при постепенно увеличивающейся нагрузке или ударе, различают статистическуюН_сти динамическуюН_дтвердость. Причем статистическая твердость не равна динамической (.Н_ст ≠ Н_д).

Для большинства горных пород применяют метод определения статической твердости p_t,основанный на хрупком выколи лунки в шлифовальной поверхности породы под действием приложенной к специальному штампу нагрузки.

Твердость поры можно определить методом контактной прочности p_k.По этому методу производится вдавливание цилиндрического штампа с плоским основанием и диаметром 2-3 мм в не шлифованную поверхность образца. Контактная твердость образца определяется по величине нагрузки в момент хрупкого разрушения, отнесенной к площади штампа. Статичная и контактная прочности связаны между собой соотношением:

2-52

С увеличением пластичности пород твердость их уменьшается. Твердость пород всегда выше предела прочности при одноосном сжатии, так как она соответствует прочности породы при сложном всестороннем сжатии, причем характер объемного сжатия в значительной степени зависит от упругих и пластических свойств породы.

2-53

С ростом пластичности породы величина коэффициента kуменьшается с 20 до 5, т.е. численные значения твердости приближаются к значениям σ_сж. Значение контактной прочности можно вычислить по формуле:

2-54

Динамическая твердость может быть определена методом Шора, сущность которого заключается в том, что на поверхность испытуемой породы с определенной высоты сбрасывается боёк со сферическим алмазным наконечником. За показатель твердости принимается высота отскока бойка.

Твердость породуказывает на их сопротивляемость разрушению при воздействии бурового инструмента и поэтому определяет производительность буровых установок.

Вязкость- способность горных пород необратимо поглощать энергию в процессе их деформирования. Вязкость обусловлена пластичной деформацией и неупругостью горных пород. При пластичной деформации вязкость количественно определяется как отношение величины касательных напяжений , возникающих в сдвигаемом слое, к скорости пластического течения и изменяется от 1013 - 1020 Па×с. Величина вязкости, связанная с неупругостью (упругое последействие, термоупругий эффект, упругий гистерезис) горных пород, пропорциональна коэффициенту механических потерь (декременту затухания), значения которого колеблются от 10-1 до 10-3.

При разрушении вязкость оценивается как работа деформирования горных пород, отнесенная к единице площади образца. Определяется по результатам ударных испытаний образцов на копре (ударная вязкость). Может быть рассчитана как произведение коэффициента пластичности на предел прочности горных пород. На практике определяют коэффициент относительной вязкости (специальными отрывниками заделываемыми в испытуемый массив) как отношение усилия, требуемого для отделения некоторой части горных пород от массива, к величине усилия, необходимого для отделения от массива известняка, принятого за эталон. Величина коэффициента изменяется от 0,5 до 3 (например, для мрамора 0,7; песчаника 1,2; гранита 1,3; кварцита 1,9; базальта 2,2). С увеличением вязкости возрастает поглощение упругих волн, уменьшаются ползучесть и пучение пород, возрастает энергоемкость процесса дробления и измельчения пород при переработке полезных ископаемых и взрывных работах. Породы, имеющие высокую прочность и большую зону пластической деформации, являются вязкими. Такие породы плохо поддаются разрушению. Общепризнанных физических методов определения вязкости до сих пор не существует. Так как вязкость породыпрямо пропорциональна произведению пластичности породы на её прочность, эту величину можно принять в качестве физического аналога вязкости породВ:

2-55

Взрываемостьгорной породы характеризует сопротивляемость ее разрушению действием взрыва. Это комплексная характеристика, которая изменяется в широких пределах и зависит от крепости, хрупкости, пластичности, трещиноватости, слоистости, степени выветривания и других свойств. Однако попытки напрямую связать взрываемость, например с буримостью, часто приводят к ошибкам, так как во многих случаях легкобуримые и труднобуримые породы по отношению к взрывному разрушению оказываются равнозначными.

Взрываемость горных пород оценивается по показателю трудности разрушения горных пород П_р. Для расчета трудности разрушения горных пород необходимо знание плотностных и прочностных характеристик горных

П_р=0,05*[k_т*(σ_сж+ τ_сдв+ σ_раст) + γ*g],

где k_т– коэффициент трещиноватости;

σ_сж– предел прочности горной породы при одноосном сжатии, МПа;

τ_сдв– предел прочности при сдвиге;

σ_раст– предел прочности при растяжении, Мпа;

γ – плотность породы.

Удельный эталонный расход ВВ [q_э, г/м³] рассчитываем по прочностным и плотностных свойствам горных пород q_э=0.2[(σ_сж+ τ_сдв+ σ_раст) + γ*g], г/м³,

Характеристикой взрываемости является «удельный расход ВВ»- заряд эталонного ВВ, необходимый для разрушения 1 куб.м породы до кусков определенной крупности при стандартных условиях взрывания.

Взрываемость может быть определена также расходом эталонного ВВ на образование воронки нормального выброса зарядом определенной формы. Условия проведения испытаний: заряд помещают в шпур диаметром 40 мм, пробуренный под углом 45° к горизонтальной свободной поверхности при глубине заложения 1 м.

Все горные породы по трудности взрывания подразделяют на 5 классов (табл.2-5).

Таблица 2-5. Классификация пород по трудности взрывания

Класс	Характеристика пород	Удельный расход ВВ q,кг/куб.м
I	Легковзрываемые	<0,2
II	Средневзрываемые	0.2-0 4
III	Трудновзрываемые	0.4-0,6
IV	Весьма трудновзрываемые	0,6-0,8
V	Исключительно трудновзрываемые	0,8-1,0

Дробимость выражает энергоемкость процесса дробления породы приложением к ней динамической нагрузки и, как показывают исследования, лучше коррелирует с динамическими методами разрушения пород, чем предел прочности при одноосном нагружении. Дробимость Д – параметр обратный вязкости, поэтому для его оценки по механическим свойствам можно пользоваться уравнением

2-56

Буримость горной породы.  Совокупность физико-механических свойств горных пород определяет их буримость, т. е. способность горной породысопротивляться проникновению в неё бурового инструмента, или интенсивность образования в породе шпура (скважины) под действием усилий, возникающих прибурении. Буримость породы характеризуют механической скорость бурения (мм/мин), реже — продолжительность бурения 1 м шпура (мин/м).

В настоящее время известно большое число классификаций горных пород по буримости) Все они связаны друг с другом и с коэффициентами крепости пород по шкале проф. М. М. Протодьяконоваприближёнными корреляционными связям

Буримость горных породизменяется по мере развития технических средств и технологии бурения. Она зависит от физико-механических свойств пород, способа бурения скважин, конструкции и качества породоразрушающего инструмента, диаметра, глубины и направления скважины, технологических параметров режима бурения, состояния технических средств, квалификации рабочих и уровня организации труда.

Показатель буримости пород определяют по значениям прочностных характеристикам пород, таких как предел прочности породы на сжатии ипредел прочности породы на сдвиг

где σ_сж– предел прочности породы на сжатие, МПа; τ_сд – предел прочности породы на сдвиг, МПа;

γ – плотность горных пород, MN/м³.

По показателю буримости (П_б) определяется класс горных пород:

Класс буримости	Буримость	Показатель буримости
I класс	легкобуримые	(Пб= 1¸5);
II класс	породы средней трудности бурения	(Пб= 5,1-10);
III класс	труднобуримые породы (	Пб= 10,1-15,0);
IV класс	весьма труднобуримые породы	(Пб= 15,1-20,0);
V класс	исключительно труднобуримые породы	(Пб= 20,1-25,0).

Абразивностьхарактеризует способность пород изнашивать при трении инструмент. Абразивность оценивают по износу материала, контактирующего с горной породой. К испытываемому образцу прижимают вращающееся кольцо из материала, по отношению к которому определяют абразивность породы. Кольцо взвешивают до начала эксперимента и после определенного количества оборотов. Вычисляют износ ΔV_сматериала кольца, приходящийся на 1 м пути его движения по породе. Коэффициент абразивностиk_абв см³/(Н·м) определяют по формуле

ф.13- 13

где F – сила, с которой кольцо прижимается к породе.

Например, показатель абразивности составляет для мрамора 400-500 мг, известняка – 800 - 900 мг, гранита – 1000 - 2000 мг, кварцита – 2100 - 2500 мг. Для малоабразивных пород (до 5 мг), например угля, показатель абразивности определяют путем истирания стандартного эталона (при постоянном давлении на контакте) о раздробленную навеску породы. Горные породы в зависимости от их абразивности разделены на 8 классов (по Л.И. Барону и А.В. Кузнецову). Наиболее абразивны корундсодержащие породы, порфирит, диорит, гранит. Абразивность влияет на эффективность бурения, резания, скалывания, черпания горных пород.