Горнотехническая характеристика горных пород

ТЕОРИЯ РАЗРУШЕНИЯ ГОРНЫХ ПОРОД

Тема 1

1. Введение

Учебная дисциплина «Теория разрушения горных пород» занимает основополагающее место в учебном плане подготовки горных инженеров, поскольку разрушене пород является одним из основных технологических процессов при разработке полезных ископаемых.

Целью преподавания дисциплины является обучение студентов теоретическим основам способов разрушения горных пород.

Задачами изучения дисциплины являются приобретение теоретических знаний по методам разрушения горных пород и связанных с этим процессом общих физических, химических и других закономерностей разрушения. Формирование у студентов знаний и умений по выбору рациональных способов разрушения горных пород в зависимости от их физико-механических свойств.

При разработке полезных ископаемых открытым и подземным способами наиболее энергоемким технологическим процессом является разрушение горных пород. Чтобы уменьшить энергетические затраты на разрушение, а также создать более прочные строительные материалы, необходимо знать прочностные параметры горных пород и минералов, закономерности их деформирования и разрушения. При исследовании процессов горных работ горные инженеры изучают поведение пород при бурении скважин, формировании устойчивых уступов на карьерах, проходке горных выработок, взрывном дроблении, механическом дроблении и измельчении на обогатительных фабриках.

Согласно учебному плану, курс лекций содержит в себе основные теоретические положения в зависимости от характеристик горных пород и применяемых способов их разрушения и включает следующие темы:

1. Горнотехническая характеристика горных пород.

2. Механические методы разрушения горных пород.

3. Разрушение горных пород взрывом.

4. Другие способы разрушения горных пород.

Эффективность отделения горных пород от массива определяется физико-механическими свойствами этих пород и производительностью средств разрушения. В зависимости от этих свойств горных пород выбираются способ бурения, тип и конструкция бурильной машины и конструкция бурового инструмента.

Физико-механические свойства пород обусловливают также выбор типа ВВ и величины заряда, числа и расположения шпуров. Поэтому без знания физико-механических свойств нельзя правильно использовать существующие и создавать новые методы и средств бурения и взрывания горных пород.

Различают механический, физико-химический и взрывной способ разрушения пород.

Механические способы – бурение, резание.

Физико-химические способы бывают термическими, взрывными, гидравлическими и др.

Как правило разрушение скальных горных пород производится с помощью зарядов взрывчатых веществ, размещаемых в зарядных камерах, в частности, в шпурах и скважинах, которые предварительно образуются в процессе механического разрушения посредством бурения.

Шпур – искусственное цилиндрическое углубление в горной породе диаметром до 75 мм и глубиной до 5 м.

Скважина – искусственное цилиндрическое углубление диаметром более 75 мм при глубине до 5 м и любого диаметра при глубине более 5 м.

Взрывчатое вещество (ВВ) – это малоустойчивая химическая система, которая под действием внешнего начального импульса (при приложении определенного количества внешней энергии) способна чрезвычайно быстро переходить в более устойчивую химическую систему (взрываться) с выделением большого количества тепловой энергии и газообразных продуктов.

Тема 2

Горнотехническая характеристика горных пород

В геологическом понимании горные породы — это агрегаты, слагающие земную кору и состоящие из минералов. Каждая горная порода характеризуется своим минералогическим составом и имеет присущую ей структуру и текстуру.

2.1.Характеристики состава горных пород

Под составом массива горных пород понимается совокупность слагающих его частей, элементов. Поскольку массив горных пород - среда с ярко выраженным масштабным фактором, то и состав его качественно и количественно отличен на различных масштабных уровнях.

По литологическому составув зависимости от геологических процессов, в результате которых сформировались горные породы, их разделяют на 3 основные группы - магматические (изверженные), осадочные, метаморфические.

1) изверженные— образовавшиеся из магмы в процессе ее охлаждения и затвердевания. Характерными свойствами изверженных пород являются высокая механическая прочность, низкая трещиноватость и отсутствие ползучести;

2) осадочные— образовавшиеся в результате отложения продуктов выветривания и разрушения различных горных пород, выпадения осадка из воды и жизнедеятельности организмов. Для осадочных пород, по сравнению с изверженными, свойственны высокая пористость и склонность к неупругим деформациям;

3) метаморфические— образовавшиеся из изверженных или осадочных пород под воздействием процессов сжатия в земной коре. Метаморфическим породам свойственны хрупкость и повышенная трещиноватость.

Эти группы пород отличаются и по механическим характеристикам. Во многих случаях на начальных этапах освоения месторождения выделение литологического состава массива пород оказывается достаточным для предварительной оценки основных свойств. Однако, как правило, требуется изучение состава массива и на других масштабных уровнях.

Так же породы классифицируются по характеру связей между их твердыми минеральными частицами.

По этому признаку выделяются 4 группы пород:

1. Твердые (жесткие) - слагающие породы твердые минеральные частицы связаны между собой жесткой связью, обеспечивающей сохранение формы под нагрузкой. В этом классе выделяют скальные и полускальные породы.

К скальным относятся кристаллические породы со структурными кристаллическими или аморфными связями. При насыщении водой сцепление у таких пород не изменяется. Примером скальных пород могут служить граниты, диабазы, базальты, гнейсы, диориты.

К полускальным относятся сцементированные породы, у которых наряду с жесткими проявляются и пластические связи. При превышении нагрузок до определенных значений деформирование пород происходит по закону пластических деформаций, так же как и у мягких, рыхлых пород. При насыщении водой силы сцепления у полускальных пород резко снижаются или исчезают совсем. Примером таких пород являются сцементированные известняки, песчаники, доломиты, мергели, аргиллиты и алевролиты.

2. Пластичные или связные породы - минеральные частицы связаны водно-коллоидной связью, преимущественно через тонкие пленки воды, обволакивающей частицы. В зависимости от степени насыщения этих пород водой меняется степень их пластичности. Примером таких пород являются глины, глинистые сланцы, суглинки, бокситы.

3. Раздельно-зернистые или рыхлые сыпучие породы - связи между минеральными частицами отсутствуют или ничтожно малы, породы представляют собой простые механические смеси частиц одного или нескольких минералов либо обломков твердых пород. Пример - пески, гравийно-галечные отложения, искусственные отвалы пород. В этом классе выделяют песчаные и грубообломочные породы.

4. Текучие - в этих породах минеральные частицы разобщены водой, т. е. способны различным образом перемещаться вместе с насыщающей их водой. Пример - насыщенные водой пески (плывуны), насыщенные водой глины и суглинки.

Петрографический состав массива определяет строение массива пород - размеры, форму, взаимное расположение и способ срастания слагающих горные породы минеральных частиц. Петрографический состав во многих случаях определяет механические свойства массива пород.

Важнейшими характеристиками строения пород является структура и текстура.

Под структурой понимают степень кристаллизации пород (кристаллического или аморфного их строения), размеры, форму минеральных частиц и характер связи между ними.

По степени кристаллизации, пород выделяют полнокристаллические, неполнокристаллические, стекловидные, порфировые и обломочные структуры.

1) Монокристаллические породы характеризуются полной кристаллизацией всех слагающих минералов.

2) Неполнокристаллические породы состоят частично из кри­сталлических зерен, частично из аморфной, стекловидной сцементиро­ванной массы.

3) Стекловидные породы полностью состоят из стекловидной массы.

4) В породах порфировой структуры в общую стекловидную или кристаллическую массу вкраплены крупные зерна минералов.

5) Породы обломочной структуры состоят из сцементированных обломков первичных пород, из которых они образованы.

С увеличением степени раскристаллизации пород их прочность обычно снижается.

По мере уменьшения размера зерен, как правило, повышается прочность, плотность и упругость горных пород.

Различают также породы равномерной структуры, состоящие из кристаллов одинаковых размеров, и неравномерно-зернистой структуры, слагаемые кристаллами, существенно различающимися по размерам.

В породах неполнокристаллической, порфировой и обломочной структуры механические свойства существенно зависят от характера цементации и состава цементирующего вещества. Различают следующие основные типы цементации:

1) базальтовый - зерна минералов не соприкасаются друг с другом и погружены в стекловатую массу, степень цементации очень высока и прочность зависит от характера цементирующего вещества;

2) контактный - цементирующее вещество присутствует только по контактам зерен, прочность невысокая;

3) поровый - минеральные зерна непосредственно соприкасаются друг с другом, а поры между ними заполнены цементирующим веществом, прочность более высокая, чем в породах контактной структуры, но ниже, чем в базальтовой;

4) коррозийный - цементирующее вещество внедряется в минеральные зерна и заполняет все промежутки, прочность очень высокая.

Состав цемента может быть кремнистым, железистым, известковым, глинистым, мергелистым, гипсовым. Наибольшей прочностью обладают породы с кремнистой и железистой цементацией.

Текстура характеризует взаимное расположение однотипных частиц породы в занимаемом пространстве. Структура может быть:

- массивная - частицы плотно примыкают друг к другу, ориентированы произвольно;

- пористая - частицы породы примыкают друг к другу неплотно, имеется множество микропустот, пор;

- слоистая - частицы породы чередуются, формируя слои напластования.

Породы упорядоченной текстуры обладают анизотропией свойств, т. е. свойства в разных направлениях различны. Свойства пород упорядоченной текстуры оказываются сходными в различных направлениях, в механике горных пород их называют квазиизотропными или про­сто, изотропными.

Минералогический состав массива горных пород (вернее литолого-петрографических разностей массива) в общем случае имеет не мень­шее значение для большинства геомеханических процессов. Во многих случаях эта характеристика в комплексе с другими позволяет найти правильные ответы на поставленные вопросы, например при технологических и геомеханических оценках дробимости пород, удароопасности и др.

На основе минералогического состава по породообразующему минералу выделяют крупные группы пород, определяющие проявление механических свойств - кварцевые, силикатные, карбонатные, глинистые, гидрофильные, легкорастворимые. Наивысшей прочностью обладают кварцевые с кремнистой цементацией, высока прочность и у силикатных пород. Наличие слюдяных минералов уменьшает прочность, а легкорастворимые минералы резко снижают упругие и прочностные свойства.