1.5. Физико-механические свойства горных пород

Основные процессы подземной добычи руд, параметры и способы выемки зависят от физико-механических свойств горных пород. Под физико-механическими свойствами понимают свойства, характеризующие поведение горных пород при техногенном воздействии на них.

Крепость и прочность горных пород – совокупность механических свойств горных пород (твердость, вязкость, трещиноватость и т.д.) проявляющихся в технологических процессах при добыче и переработке руд полезных ископаемых. Классификация, предложенная известным русским ученым М.М. Протодьяконовым, делит горные породы на десять основных категорий (табл. 1.3) и широко используется в практике и технической литературе. Коэффициент крепости по шкале М.М. Протодьяконова определяется по следующей зависимости:

f = σ_сж/100, (1.5)

где σ_сж – предел прочности пород в образце 10×10×10 см при одноосном сжатии.

Устойчивость – способность горного массива функционировать с заданными параметрами в течение определенного отрезка времени, сохраняя свою несущую способность.

Свойства горных пород в массиве из-за его строения и трещиноватости в разных направлениях не одинаковы. Они изменяются во времени (реологические свойства) и направлениях прикладываемых нагрузок.

Таблица 1.3

Категории крепости горных пород

Порода	Коэффициент крепости, f	Категория крепости породы	Плотность породы, т/м3
1	2	3	4
Вязкие кварциты и базальты	20	I	2,8 – 3,0
Крепкий гранит, самые крепкие песчаники и известняки	15	II	2,6 – 2,7
Очень крепкие песчаники и известняки	10	III	2,5 – 2,6
Колчедан, крепкий известняк	8	IIIа	2,5
Обыкновенный песчаник, песчанистые сланцы	5 – 6	IV – IVа	2,3 – 2,4
Крепкий глинистый сланец, некрепкий песчаник и известняк	3 – 4	V – Vа	2,4 – 2,8
Антрацит, мягкий сланец, мягкий известняк, мел, каменная соль, гипс, мерзлый грунт, разрушенный песчаник	2	VI	2,2 – 2,6
Крепкий каменный уголь, разрушенный сланец, отвердевшая глина	1,5	VIа	1,8 – 2
Каменный уголь средней крепости, прочные наносы, плотная глина	1	VII	1,8
Мягкий уголь, мягкая песчаная глина	0,8	VIIа	1,6
Торф, влажный песок	0,6	VIII	1,5
Добытый уголь, песок, насыпной грунт, гравий	0,5	IX	1,7
Плывуны	0,3	X	1,5 – 1,8

По устойчивости горные породы подразделяются на:

• неустойчивые – требующие прочного поддержания вслед за выемкой, в том числе весьма неустойчивые (плывуны, сыпучие породы), не допускающие обнажений;

• средней устойчивости – допускают обнажения кровли с пролетом до 8 м, но при длительном обнажении требуют поддержания;

• устойчивые – допускающие значительные обнажения (10 и более м) на длительный срок;

• весьма устойчивые – не нуждаются в поддержании.

Сложность учета, происходящих в массиве изменений, несовершенство существующих расчетных методов обусловило необходимость эксплуатировать горные выработки с определенным коэффициентом запаса устойчивости (К_зап.). К_зап. зависит от срока службы породного обнажения или сооружения и представляет собой отношение удерживающих и разрушающих (сдвигающих) сил, вызванных природными и технологическими нагрузками.

Устойчивость контролируется путем визуальных наблюдений и инструментальных замеров деформаций в массиве, а также с помощью акустических методов.

Трещиноватость – плоский разрыв сплошной среды, возникающий при тектонических процессах или в результате ведения горных (взрывных) работ. Ослабляющее влияние основных параметров трещин на рудниках Норильского региона, установленных по данным натурных и лабораторных испытаний, приведены в табл. 1.4.

Таблица 1.4

Ослабление пород трещинами на месторождениях Норильского региона

Доля трещин, характеризуемых тем или иным параметром	Интенсивность трещиноватости		Относительное ослабление пород трещинами
	Кол-во трещин в 1 м керна, шт.	Ср. расстояние между параллельными трещинами
1	2	3	4
0	0	–	1
0,07	2	0,5	0,95
0,15	2	0,45	0,90
0,25	2	0,38	0,85
0,45	3	0,30	0,75
0,7	5	0,20	0,65
1,0	8	0,13	0,55
-	15	0,07	0,45
-	20	0,05	0,40

Плотность – масса единицы объема породы. Вес единицы объема твердой фазы породы называется удельным весом. Плотность породы составляет:

∆ = V₁ / V = γ / ρ, т/м³ (1.6)

где V₁ – объем породы в массиве, занимаемый твердым веществом, м³;

V – полный объем породы, взятый в массиве, м³;

γ – объемная масса породы в массиве, т/м³;

ρ – удельный вес породы, т/м³.

Кусковатость – крупность кусков при отбойке руды, характеризуется ее гранулометрическим составом. Кусковатость отбитой руды зависит от ее физико-механических свойств (крепость, вязкость, трещиноватость), способа и параметров буровзрывных работ. Кондиционным куском отбитой руды называют кусок с максимально допустимым размером, который обеспечивает выполнение всех технологических операций добычных работ (выпуск, транспортирование, дробление, подъем). Размер кондиционного куска оказывает большое влияние на выбор доставочного, транспортного и дробильного оборудования.

Разрыхляемость – способность горных пород увеличиваться в объеме при их разрушении. Отношение объема отбитой руды к объему, который она занимала в массиве называется коэффициентом разрыхления (К_раз.). При отбойке скальных пород К_раз. изменяется от 1,1 до 1,7. Этот показатель широко используется для обоснования и расчетов параметров отбойки, выпуска и погрузки руды, транспортирования, складирования и ее переработки.

Слеживаемость – способность руды терять при хранении сыпучие свойства и превращаться в прочно связанную массу. Склонностью к слеживанию обладают пирротинсодержащие сульфидные руды, в которых присутствуют глинистые и другие коллоидные материалы.

Дезинтеграция – области необратимых деформаций, возникаемые вокруг горных выработок и в окрестностях искусственно созданных полостей в земных недрах.

Самовозгораемость – способность руды к горению в результате окисления ее кислородом воздуха независимо от притока тепла извне. Этим свойством обладают сульфидные руды с высоким содержанием серы. Такие руды не подлежат хранению в подземных условиях. Подземные пожары, вызванные самовозгоранием руд, трудно поддаются ликвидации, приводят к остановке рудника и большим материальным потерям.

Профилактические мероприятия от самовозгорания на рудных месторождениях делятся на горнотехнические (применение систем разработки с полной закладкой выработанного пространства) и специальные (заиливание, изоляция целиков и т.д.).

Влагоемкость – масса воды, удерживаемая силами молекулярного притяжения на поверхности частиц породы. Измеряется количеством воды в литрах, заключенной в 1 м³ массива горной породы. Руды в массиве и отбитом состоянии делят на мокрые, влажные и сухие. Влажность способствует слеживанию, а в зимнее время, особенно в условиях Северных рудников, смерзанию горной массы.

Водопроницаемость – способность породы пропускать воду. Характеризуется коэффициентом проницаемости (К_пр), определяемым из уравнения Дарси:

К_пр = ((Q/S) × (l₀/∆p))η, (1.7)

где Q/S – скорость фильтрации, см/с;

∆p – перепад давления на пути l₀ фильтрации жидкости, МПа;

η – вязкость жидкости, г/см·с;

Q – расход воды через сечение S в единицу времени, см³/с.

В зависимости от величины этого показателя породы подразделяются на водоупорные, слабопроницаемые, среднепроницаемые и легкопроницаемые.

Пластичность – свойство горных пород необратимо деформироваться без нарушения сплошности под действием механической нагрузки. Наиболее пластинчатые горные породы – глины, каменная соль и др. Часто разрушение крепких горных пород происходит в области включений пластических материалов.

Хрупкость – способность горных пород к разрушению под действием статических и динамических нагрузок без заметных пластических деформаций. Хрупкость определяется минеральным составом и структурно-текстурными характеристиками породы, а также внешними условиями: температурой, скоростью приложения нагрузки, ее видом. Хрупкие породы легко поддаются динамическому разрушению в отличии от пластичных. Для количественной оценки этого параметра в практике применяются два показателя, получившие название коэффициента хрупкости (К_хр.¹, К_хр.²). К_хр.¹ равен отношению предельной прочности пород при сжатии (σ_сж) к ее прочности на растяжение (σ_р). К_хр.² равен отношению удельной энергии упругого деформирования породы к удельной энергии ее разрушения при одноосном сжатии. Более полно характеризует хрупкость пород показатель К_хр.².

Вязкость – свойство горных пород необратимо поглощать механическую энергию в процессе их деформирования. При разрушении вязкость оценивается как работа деформирования горных пород, отнесенная к единице площади образца. Определяется по результатам ударных испытаний образцов на копре. На практике устанавливают коэффициент относительной вязкости (специальными отрывниками, внедренными в испытываемый массив) как отношение усилия для отделения некоторой части горных пород от массива к величине усилия, необходимого для отделения от массива известняка, принятого за эталон (К_вяз.). Величина К_вяз. изменяется от 0,5 до 3,0 (например, для мрамора – 0,7, песчаника – 1,2, кварцита – 1,9, базальта – 2,2).

Упругость – свойство горных пород восстанавливать первоначальную форму и размеры после снятия внешней механической нагрузки. Полное восстановление возможно, если нагрузка не превышает предел упругой деформации породы. Упругие свойства пород характеризуются модулем упругости (Е), коэффициентом Пуассона (μ) и модулем сдвига (G) и связаны между собой уравнением:

G = Е / 2(1+ μ). (1.8)

Коэффициент пропорциональности между напряжениями и деформациями называется модулем упругости (модулем Юнга). Наиболее вероятные значения для горных пород Е = 10⁴ - 3×10⁵ МПа.

Модуль сдвига – постоянная упругости, представляющая собой отношение касательного напряжения к соответствующему углу сдвига.

Коэффициент Пуассона – величина безразмерная, характеризующая прямую пропорциональную зависимость между поперечными и продольными деформациями и изменяется для скальных пород от 0,15 до 0,45.

Упругость обычно определяют двумя методами: статистическим – керн горной породы нагружают под прессом и измеряют деформации образца и динамическим – измеряют скорость распространения упругих колебаний в горных породах.

Ползучесть – процесс непрерывной пластической деформации, протекающий в горных породах в условиях длительного статического нагружения (σ = const, t ≠ const, ε ≠ const, где σ – нормальные сжимающие напряжения в массиве; t – время; ε – относительная деформация)

Релаксация – процесс изменения со временем напряжений (как правило их уменьшение) при неизменной деформации (σ ≠ const, t ≠ const, ε = const)

Обогатимость – свойства горных пород. характеризующие возможную степень извлечения и концентрации минеральных компонентов при обогащении полезных ископаемых. Обогатимость – обязательная характеристика руд при оценке запасов месторождений и проектировании обогатительных фабрик.

Абразивность – способность горных пород изнашивать контактирующие с ними твердые детали горных машин и механизмов. Абразивность обусловлена прочностью, твердостью, размерами и формой минеральных зерен, слагающих породу. Данная характеристика руды оказывает влияние на эффективность бурения, резания, скалывания и черпания горной массы. Наиболее абразивными являются корунд и кварцсодержащие породы, порфирит, гранит и диорит.

Метаноносность – объем метана, содержащийся в свободном и связном состояниях в единице массы горной породы. На рудных месторождениях выделение метана наблюдается при наличии углесодержащих пород в подстилающих и налегающих массивах. В частности, медно-никелевые залежи Норильского региона залегают под углистыми сланцами и отнесены к опасным по выделению метана.