Твердость

Относительная крепость (твердость) горных пород — это их способность сопротивляться механическому разрушению. Многие магматические и метаморфические породы обладают высокой твердостью, поскольку состоят из кристаллов. Например, такая кристаллическая магматическая порода, как гранит, часто залегает на поверхности в горных районах благодаря сопротивляемости к эрозии. Вулканические породы, включая застывшую лаву и пепел, обычно разрушаются намного быстрее гранита. Осадочные породы также бывают разной твердости. Так, породы, образовавшиеся из глин, неустойчивы и быстро смываются.

Твердость — это свойство горной породы сопротивляться внедрению или вдавливанию в нее более твердого тела, в частности породоразрушающего инструмента. При внедрении инструмента ограниченного сечения в месте контакта формируется зона материала, находящаяся в сложном напряженном состоянии. Твердостью в значительной степени определяется буримость горной породы; существуют методы определения буримости на основе показателей твердости. Для горных пород, являющихся поликристаллическими телами, выделяется твердость отдельных минералов (зерен) и агрегатная твердость. В зависимости от характера нагружения образца различают статическую и динамическую твердость.

Для определения относительной твердости используют шкалу Мооса, состоящую из 10 эталонных минералов, расположенных в порядке возрастания твердости:

Скорость бурения в большей степени зависит от агрегатной твердости породы. Например, слабо сцементированный песчаник не является твердой породой и разрушается буровой коронкой сравнительно легко, несмотря на высокую твердость его основного породообразующего минерала - кварцевых зерен. Наиболее просто твердость минералов определяется по шкале Мооса, по которой в качестве эталонов твердости выбрано десять минералов, отличащихся тем, что каждый последующий минерал царапает предыдущий, более мягкий. По шкале Мооса алмаз имеет наивысшую склеротическую твердость, равную 10. Сопоставление данной шкалы со шкалой твердости вдавливания по Кнупу показывает, что шкала Мооса не является линейной. Шкала Кнупа обеспечивает лучшее сопоставление твердости. По этой шкале твердость алмаза лежит в пределах 8000-8500 ед. Кнупа, что в четыре раза выше корунда (1700-2000 ед.) и в три раза выше твердого сплава.

Для измерения твердости горной породы используются также другие методы, в частности вдавливание специального пуансона (метод, разработанный Л. А. Шрейнером). Твердость породы по этому методу определяется по нагрузке на пуансон в момент ее разрушения. Количественно твердость по штампу определяется отношением разрушающей силы к площади штампа. Во время нагружения штампа (пуансона) при определении твердости породы самопишущий прибор регистрирует нагрузку и вычерчивает диаграмму деформации. По диаграмме определяют твердость, условный предел текучести, коэффициент пластичности и удельную контактную работу разрушения. Сопротивление породы разрушению зависит от характера нагрузки на буровой инструмент, внедряющийся в нее. При динамической (ударной) нагрузке сопротивление породы внедрению резца много ниже, чем при статическом давлении.

Таблица Сравнительная твердость различных минералов и материалов (по шкалам Мооса и Кнупа)

Дробимость характеризует относительную сопротивляемость породы измельчению при воздействии ударной нагрузки Дробимость является энергетической оценкой разрушения породы в условиях сложнонапряженного состояния. Операция дробления широко распространена при производстве щебня, а также при обогащении и подготовке к дальнейшей переработке полезных ископаемых, поэтому сведения о дробимости необходимы для расчета параметров дробилок и потребности в энергии. Опыты по определению дробимости проводят на образцах в виде кусков породы. Эти куски подвергают толчению, истиранию, раздавливанию. Характер воздействия на породы при испытаниях аналогичен технологическим операциям при разрушении пород. Во всех случаях определения дробимости оценку результатов устанавливают с помощью ситового анализа.

Известны следующие методы определения дробимости:

- однократное сбрасывание породных образцов с определенной высоты,

- дробление падающим грузом (однократный удар),

- толчение при многократных ударах падающим грузом,

- измельчение в барабанах и мельницах,

- раздавливание образцов в замкнутых сосудах.

Широко используется метод дробления однократным ударом падающего груза, предложенный Л.И. Бароном, В.М. Курбатовым и Р.В. Орловым. По этому методу образец неправильной формы разрушается гирей массой 16 кг, падающей с высоты 0,5 м. Разрушенный материал собирают и просеивают на ситах с размером отверстий 7 и 0,25 мм. Основным показателем дробимости является суммарный объемный выход фракции Vmax, прошедшей через сито 7 мм, на основе которого составлена классификация пород.

Классификация пород пo суммарному объемному выходу фракции

Абразивность горных - способность горных пород изнашивать контактирующие с ними твёрдые тела (детали горных машин, инструменты и т. п.). Обусловлена в основном прочностью, размерами и формой минеральных зёрен, их ориентировки и связи с цементирующим составом породы. Абразивность оценивают по степени износа штифтов, стержней, металлических колец, которые трутся о поверхность пород при сверлении или резании, а также по степени истирания пород абразивными материалами. Показатель абразивности (по методике Л. И. Барона и А. В. Кузнецова) определяют как суммарную потерю массы (в мг) вращающегося (с частотой 400 об/мин) стандартного стержня из незакалённой стали за счёт истирания его торца, прижатого к породе, при осевой нагрузке 150 Н за время испытания (10 мин). 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 путём истирания стандартного эталона (при постоянном давлении на контакте) о раздроблённую 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.

Кроме указанных свойств пород, при разрушении пород учитывают прочность, упругость, пластичность, хрупкость, вязкость, разрыхляемость горных пород.

Прочность— это свойство горных пород сопротивляться разрушению под действием внешней нагрузки. Различают прочность при сжатии, растяжении, изгибе, скалывании и ударе. При превышении пределов прочности для большинства породообразующих минералов и горных пород характерно практически мгновенное разрушение образцов, т. е. при распространенных в горной практике динамических способах разрушения горные по­роды являются хрупкими телами.

Порода теряет прочность, если в ней нарушаются внутренние связи и происходит хрупкое разрушение образца или появляются пластические деформации.

Упругость— свойство горных пород изменять свою форму или объем под действием внешней нагрузки и возвращаться к первоначальной форме или объему после снятия этой нагрузки.

Пластичность— это свойство горных пород деформироваться без разрушения под действием внешней нагрузки и оставаться в деформированном состоянии после ее снятия.

Хрупкость — свойство горных пород разрушаться под действием ударных нагрузок без заметной остаточной деформации. По Л. И. Барону [12], это свойство горной породы может характеризоваться коэффициентом хрупкости, представляющим собой отношение между работой, затраченной на деформирование образца до предела упругости, и общей работой деформации до момента разрушения.

Вязкостью называют способность горной породы сопротивляться силам, стремящимся разъединить ее частицы, способность пород к поглощению механической энергии при пластической деформации.. При горных работах вязкость пород оценивают по сопротивлению, оказываемому породой при отделении части ее от массива.

Разрыхляемость — это увеличение объема горной породы при ее выемке из массива. Разрыхляемость характеризуется коэффициентом разрыхления, представляющим собой отношение объема вынутой породы к первоначальному объему породы в массиве.

Коэффициенты разрыхляемости некоторых горных пород имеют следующие значения:

Песок, супесь . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1,1-1,2

Растительный грунт, глина, суглинок, гравий 1,2-1,3

Полускальные породы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1,3-1,4

Скальные породы:

средней прочности . . . . . . . . . . . . . . . . . 1,4-1,6

прочные . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1,6-1,8

очень прочные . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1,8-2,0

Крепость горных пород характеризуется их сопротивляемостью различным механическим воздействиям: бурению, отбойке, взрыванию, разработке другими механическими средствами. Крепость пород зависит от многих физико-механических свойств: твердости, вязкости, трещиноватости, хрупкости, упругости. В горном деле принята шкала крепости горных пород, предложенная проф. М. М. Протодьяконовым. По этой шкале все горные породы в зависимости от коэффициента крепости f_кр разделены на десять категорий, причем наиболее крепкие породы (кварциты, базальты и др.), имеющие коэффициент крепости f_кр=20, отнесены к I категории, а наименее крепкие (плывуны, разжиженные грунты), имеющие f_кр=0,3,— к X категории.

Размокаемость - это свойство пород изменять прочность при увлажнении. Характеризуется коэффициентом, численно равным отношению прочности породы до и после увлажнения.

Тиксотропность - это способность некоторых горных пород переходить в плывуноподобное состояние под воздействием ударно-механических, взрывных нагрузок, электрического тока или ультразвука.

У твердых горных пород существуют устойчивые прочностные связи между минеральными частицами. По характеру связей между частицами можно выделить кристаллически-зернистыеи зернисто-сцементированныепороды.

Свободное пространство между твердыми частицами характеризуется пористостью.Мерой пористости является отношение объема пор к общему объему породы. Пористость существенно влияет на прочностные свойства пород. Во-первых, поры, так же как и микротрещины, являются концентраторами напряжений и служат очагами зарождающихся трещин. При одинаковом минеральном составе более пористые породы, как правило, имеют меньшую прочность. Кроме того, породы с высокой пористостью способны уплотняться под действием нагрузки и проявляют повышенную склонность к неупругим деформациям. Ниже даны в порядке возрастания значения пористости (%) для ряда пород:

Граниты .................0,1...5 Базальты..................0,6...19

Габбро....................0,6...1 Известняки ................1...30

Песчаники...............1...4 Алевролиты ..............1...40

Диабазы ................0,8...12 Лёссы ........................40...55

Практически все горные породы содержат в себе то или иное количество влаги. Различные состояния содержащейся в породе воды придают им различные прочностные свойства. Вода может быть представлена в следующих состояниях.

Адсорбированная водапредставляет собой несколько слоев молекул, удерживаемых на поверхности твердых кристаллов молекулярными силами взаимодействия. Глинистые минералы активно адсорбируют воду, что приводит к их расслоению и потере связности. Адсорбированная влагоемкость (отношение объема воды к объему породы) изменяется от долей процента у зернистых пород и до 20—30 % у глин. Пленку адсорбированной влаги покрывает тонкий слой рыхлосвязанной воды толщиной в несколько десятков и даже сотен молекул.

Капиллярная вода— это вода, удерживаемая в порах породы капиллярными силами. Капиллярные силы способны обеспечить подъем уровня капиллярной воды сверх уровня грунтовых вод от 0,3—0,6 м в песках, до 2—3 м и более в породах с преобладанием глины.

Свободная водане удерживается в твердом скелете молекулярными силами и перемещается в поровом пространстве по законам фильтрации.

Просушивание при температуре до 110°С обеспечивает удаление воды, в том числе и адсорбированной. В кристаллах некоторых минералов, например у гипса, содержится кристаллизационная вода, входящая в виде молекул в кристаллическую решетку. Эта вода удаляется лишь при более высоких температурах, и этот процесс сопровождается распадом или перестройкой кристаллов.

Влажностьоказывает влияние на механические свойства горных пород. Она может оказаться причиной заметного изменения прочностных и деформационных характеристик. Адсорбированная вода, как уже отмечалось, энергично внедряется в глинистые минералы, увеличивает объем (набухание) глины и снижает сцепление между твердыми частицами вплоть до полной текучести у глин. Силы сцепления минералов вплоть до текучести можно также нарушить в процессе механической вибрации (явление тиксотропии у глины, известняка). Наиболее существенно снижаются прочностные показатели при увлажнении песчано-глинистых пород. Поровая вода может являться активным агентом роста кристаллов, способствуя появлению внутренних, структурных напряжений. Этот процесс является основной причиной текучести соляных пород во времени. При отрицательных температурах фазовый переход воды в лед при­водит к резкому падению прочности водонасыщенных пород.

Плотность породы— это отношение массы породы естественной структуры к ее объему. Существует положительная корреляция между прочностью и плотностью. Ниже приведена плотность (кг/м³) некоторых пород.

Изверженные Осадочные

Базальт .......... 2750...3200 Доломит ........ 2600...3200

Габбро ........... 2750...3150 Известняк ..... 2400...3000

Гранит и диорит 2600...2800 Каменная соль ...2120...2220

Метаморфические

Кварцит железистый ....2800...4000.............. Аргиллит 2060...2700

Тальк .................. 2700...2800 Мергель ......... 1840...2740

Кварцит.............. 2650...2700 Алевролит ..... 1750...2970

Мрамор .............. 2600...2700 Песчаник ....... 1530...2950

Серпентинит ..... 2500...2650 Антрацит........ 1400...2000

Все горные породы разбиты трещинами различной протяженности и шириной раскрытия. Показатель трещиноватостихарактеризуется количеством трещин на единице длины в заданном направлении (шт./м). Трещины в массиве группируются в некоторых характерных направлениях, предопределенных общими геологическими факторами образования. Общность параллельных трещин формирует систему трещиноватости.Обычно общий механизм образования трещин обеспечивает прочностную анизотропию в различных направлениях, проявляющуюся зачастую даже в образцах малых размеров. Для метаморфических пород обычно характерна развитая система трещин, элементы залегания которой совпадают с общим залеганием пород, а также две-три системы поперечных трещин.

Появление системы трещин в породном массиве с течением времени может быть связано с развитием тектонических и геодинамических напряжений. Тектонические напряжения могут способствовать развитию сети трещин вдоль направлений делимости, а также привести к образованию новых трещин.

При напряженном состоянии, близком к одноосному сжатию, образуются трещины, параллельные направлению сжатия (рис. 2.1, а). Эти трещины развиваются на глубинах до 1000 м и свойственны твердым породам.

Наличие нескольких пересекающихся систем подобных трещин свидетельствует о сложной тектонической истории массива с последовательным сжатием и растяжением в различных направлениях. При неравномерном трехосном сжатии или сдвиге создаются условия для роста систем сдвиговых трещин (рис. 2.1, б, в), на поверхности которых образуется мелко измельченный материал.

Рис. 2.1. Образование трещин в зависимости от вида напряженного со­стояния: а — одноосное сжатие; 6—неравномерное трехосное сжатие; в — сдвиг

Ниже дана характеристика трещин по степени их влияния на прочностные свойства массива.

1. Направление делимости,определяемое расположением в пространстве структурных частиц (зерен, кристаллов). В плоскостях делимости существует спайность. При разломе образца по направлениям делимости образуется свежая поверхность.

2. Прерывистые волосные трещины. Вплоскостях трещин сохраняется спайность до 5—10 % спайности в здоровых на­правлениях. В разломе по такой трещине видно чередование свежих участков и участков со следами побежалости.

3. Развитые волосные трещины.Раскрытие трещины весьма мало (до 0,1 мм), поверхность шероховатая, шероховатости на­ходятся в плотном зацеплении, сопротивление растяжению в плоскости трещин отсутствует, однако сопротивление сдвигу значительное благодаря зацеплению шероховатостей.

4. Зеркала скольжения.Поверхности трещин притерты местами до глянца, видны полосы скольжения, в трещине имеется то или иное количество минерального заполнителя. В плоскости трещины резко снижена сопротивляемость сдвигу.

5. Раскрытые трещины.Зияющие трещины в глубине массива, за пределами зоны разгрузки и выветривания, встречаются, но редко. Обычно раскрытые трещины заполнены вторичными гидротермальными минералами или глинистым материалом. Сопротивляемость таких трещин определяется свойствами заполнителей. Некоторые гидротермальные минералы могут обеспечивать значительную прочность трещин.

6. Зоны дробления.Представляют собой области повышенной трещиноватости или широкие трещины с непрочным заполнителем. Связность полностью утрачена по всем направлениям.

Устойчивость породных массивов в технологических системах определяется, с одной стороны, комплексом прочностных и деформационных свойств горных пород, а с другой — компонентами действующих на них напряжений.

Механические напряжения могут приводить к развитию чрезмерных деформаций, ухудшающих условия эксплуатации горных выработок. В одних случаях это могут быть деформации пластического характера без образования видимых трещин, которые искажают первоначальные размеры выработки (пучение пород). В более твердых породах, уже при относительно небольших деформациях, развиваются трещины, происходит обрушение кровли выработок и откосов. В хрупких породах процесс разрушения может иметь катастрофические последствия и протекать в динамическом режиме в виде горных ударов, а в сочетании с газодинамическими явлениями — в виде внезапных выбросов.

При разрушении горных пород трещины могут развиваться внутри отдельных кристаллов или проходить по их границам. В соответствии с этим выделяют четыре масштабных уровня:

♦ субмикроскопический; на этом уровне учитывают разрыв отдельных атомных или молекулярных связей;

♦ микроскопический; процесс можно наблюдать в микроскопе. Исследуют развитие микротрещин, плоскости скольжения, разрушение кристаллов или зерен, раскрытие минералов;

♦ макроскопический; процесс наблюдается невооруженным глазом на поверхности горной породы;

мегаскопический; происходит разрушение крупного массива горных пород, содержащего дефекты геологического характера.

Тема 3