ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ГОРНЫХ ПОРОД

По строению горные породы подразделяют на связные, сыпучие и плывучие.

В связных породах минеральные частицы соединены между собой силами внутреннего сцепления. Сыпучие породы состоят из отдельных зерен, не имею­щих между собой связи. Некоторые сыпучие породы при насыщении их водой приобретают свойства текучести, образуя плывуны.

Сила сцепления между частицами породы определяет устойчивость горных пород, имеющую большое значение при ведении горных работ, особенно подзем­ным способом. Под устойчивостью понимают способность горных пород не обрушаться после обнажения их на той или иной площади. Устойчивость пород снижа­ется при образовании в них трещин в результате высокого давления горных пород или при взрывных работах.

По степени устойчивости руды и вмещающие породы можно подразделить на следующие группы.

Очень устойчивые — допускают обнажения снизу на площади десятков и сотен квадратных метров и не обрушаются в течение десятков лет.

Устойчивые — допускают значительные обнажения без обрушения в тече­ние нескольких месяцев. Выработки небольших размеров могут стоять без кре­пления в течение ряда лет.

Средней устойчивости — допускают значительные обнажения на относи­тельно короткий срок.

Неустойчивые — требуют крепления вслед за обнажением.

Весьма неустойчивые — совсем не допускают обнажений и, как правило, требуют применения опережающей крепи.

К наиболее устойчивым относятся вязкие породы, имеющие большую силу сцепления между частицами (кварциты, мелкозернистые граниты, окремненные известняки и пр.); к неустойчивым — мягкие и рыхлые (глины, суглинки); к очень неустойчивым — сыпучие породы (песок, осыпи) и плывуны

Строение и физические свойства горных пород обусловливают безопасное и эффективное ведение горнопроходческих и очистных работ. Состояние и свойст­ва пород определяют способ проведения выработок, тип и плотность крепи подго­товительных выработок.

Проявление горного давления и устойчивость выработок в значительной сте­пени зависят от плотностных, водно-физических, прочностных и деформацион­ных свойств пород. Существенное влияние эти свойства оказывают и на техноло­гию проведения выработок.

Основными плотностными свойствами горных пород являются плотность, объемная масса, удельный вес, объемный вес, насыпная объемная масса и пори­стость.

Под плотностью породы р понимают ее массу в единице объема за вычетом объема пор, пустот и трещин. Плотность породы измеряют в кг/м3 (иногда т/м3). Плотность каменных углей 1300- 1500; песчаников, алевролитов, известняков — 2580 — 2800; магматических и метаморфических пород, в зависимости от содер­жания в них металла — от 2700 до 5000 кг/м3.

Объемная масса горной породы р0 — это масса в ее естественном состоянии без нарушения ее пор, пустот и трещиноватости в единице объема. Объемная мас­са большинства пород находится в пределах от 1300 до 4500 кг/м3, т. е. от 1,3 до 4,5 т/м3. Объемная масса каменных углей — 1300-1400; песчаников, алевролитов и аргиллитов — основных пород кровли и почвы пластов угля — 2400-2650 кг/м3. Объемная масса глин, суглинков и других пород вблизи земной поверхности рав­на в основном 1700 — 2300 кг/м3.

Понятиями плотности и объемной массы породы пользуются при оценке ко­личества породы или добытого полезного ископаемого.

Удельный вес горной породы у— вес единицы объема твердых частиц (мине­рального скелета) породы (Н/м3):

У = др.

где g — ускорение свободного падения, м/с2.

Объемный вес породы р0 — вес единицы объема породы в естественном состо­янии (Н/м3).

Понятиями удельного и объемного веса породы пользуются при оценке гор­ного давления или нагрузки на крепь.

Насыпная объемная масса породы — масса разрыхленной породы в единице объема. Ее измеряют, как и объемную массу р, в кг/м3. Насыпная объемная мас­са рн:

Рн = Р/Кр.

где Кр — коэффициент разрыхления породы.

Насыпная объемная масса каменных углей 900 — 1000, песчаников и алевроли­тов 1200-1400 кг/м3.

Пористость горной породы характеризует объем пустот, имеющихся в ней. Пористость определяется делением объема пустот в породе на полный ее объем и выражается в процентах. Средняя пористость магматических и метаморфических пород составляет 0,2 — 3 %; известняков, песчаников, алевролитов, аргиллитов, ка­менных углей — 5 — 15 %.

Пористость породы определяет ее водопоглощение, водопроницаемость, газо­проницаемость, прочность и другие свойства.

Водно-физические свойства горных пород характеризуются естественной влажностью, водопоглощением, размокаемостью, размягчаемостью и набуханием. 57

Под влажностью горной породы понимают массу воды, которая содержится в ней. Ее определяют по разности массы образца в естественном состоянии и мас­сы этого же образца, высушенного при температуре 100— 110 °С. Она выражает­ся в процентах. В природных условиях залегания влажность магматических пород не превышает 2 %, каменных углей и осадочных пород — б %.

Водопоглощение — способность пород поглощать воду. Ее оценивают количе­ством воды, поглощенной породой при полном ее погружении в воду в условиях атмосферного давления. Водопоглощение прочных пород составляет от 0,3 до б %, мягких слабосцементированных осадочных пород — от 10 до 25 % и более.

Под размокаемостью понимают способность породы при поглощении (впи­тывании) воды терять связность и превращаться в рыхлую массу. Магматические, метаморфические и прочные углевмещающие породы не размокают. При взаимо­действии с водой лишь снижается их прочность и другие механические свойства.

Быстро размокает большинство грунтов вблизи земной поверхности. Размокает также значительная часть углевмещающих аргиллитов на глинистом цементе.

Размягчаемость характеризует снижение проч-ности породы под влиянием воды. Ее оценивают коэффициентом размягчаемости, представляющим собой от­ношение предела прочности породы при сжатии после и до насыщения ее водой.

Набухание — способность породы к увеличению своего объема при поглоще­нии воды. Оно проявляется у глинистых слабосвязанных пород. Набухаемость по­роды характеризуется величиной набухания, которая выражается относительным изменением объема или высоты образца в процентах.

Песчаники, алевролиты, аргиллиты и переслаивания этих пород набухают очень мало. Величина относительного набухания их, как правило, не превыша­ет 0,8— 1,0 %. Глинистые и другие слабосвязанные породы (грунты), залегающие главным образом вблизи земной поверхности, подразделяют по величине свобод­ного (без нагрузки) набухания на следующие классы: ненабухающие — менее 4, слабонабухающие — 4-10, средне-набухающие — 10-15, сильнонабухающие — более 15.

Набухание глинистых пород оказывает большое влияние на их пучение и устойчивость выработок.

Прочность — свойство горной породы воспринимать внешние силовые воз­действия не разрушаясь. Критерием прочности являются временные сопротивле­ния одноосному сжатию, сдвигу и растяжению (асж, осд и ар).

Горные породы характеризуются различной величиной прочности на сжатие, растяжение и сдвиг. Наи-болыпей прочностью обладают породы на сжатие, наи­меньшей — на растяжение. Прочность на сдвиг (срез) занимает промежуточное положение между прочностью пород на сжатие и растяжение. Предел прочности горных пород при сжатии в 5 — 35 раз больше, чем при растяжении.

Показатели прочности пород на сжатие и растяжение имеют первостепенное значение для решения вопросов разрушения и отбойки их от массива в забое вы­работки, погрузки, транспортирования горной массы и нормирования горнопро­ходческих работ.

В среднем для горных пород указанные критерии прочности находятся при­мерно в соотношении асж : асд : ар = = 1,0 : 0,3 : 0,1. Прочность горных пород при объемном сжатии в несколько раз выше, чем при одноосном.

Крепость — свойство пород сопротивляться воздействию внешних усилий в процессе разрушения (при бурении, отбойке, взрывании и пр.). Количественно это свойство оценивается коэффициентом крепости /, предложенным проф. М.М. Протодьяконовым.

тш разрушения массивов горных пород

Коэффициент крепости f равен отношению временного сопротивления лноосному сжатию к единице крепости. За единицу крепости принято вре- -:-нное сопротивление сжатию образцов кубической формы, равное 10 МПа. Следовательно, f = асж/10.

По этому критерию М.М. Протодьяконов предложил классификацию, в кото­:: и горные породы разделены на 10 категорий. Пределы изменения коэффициен­та крепости от 0,3 до 20.

Существуют и другие классификации горных пород, учитывающие особенно­сти ведения горных работ.

Абразивность —: способность горных пород изнашивать контактирующие : ней поверхности режущего инструмента и деталей горных машин при работе. Абразивность пород оценивается средней потерей в массе (в миллиграммах) мер- н эго цилиндрического стержня при истирании его в определенных условиях. По абразивности горные породы разделены на 8 классов.

Твердость — свойство горной породы сопротивляться проникновению в нее торного инструмента.

Упругость — свойство горной породы возвращаться к первоначальной форме и размерам после устранения воздействия на нее внешних сил.

Пластичность — свойство пород изменять свою форму при сохранении объ­ема.

Хрупкость — способность горной породы разрушаться при незначительной ~'\.астической деформации.

Разрыхляемость — увеличение объема породы при выемке ее из массива. Оценивается коэффициентом разрыхления:

= V-B/V-M;

тде VB — объем вынутой породы; VM — объем породы в массиве (в целике).

Коэффициент разрыхления характеризует увеличение объема породы при разрушении. Коэффициент разрыхления угля составляет 1,2— 1,4; осадочных по­род (песчаника, алевролита, аргиллита) — 1,4 — 2,2; магматических и метаморфи­ческих пород— 1,7 — 2,3.

Буримость горной породы — способность горной породы сопротивляться про­никновению в нее бурового инструмента или интенсивность образования в по­роде шпура или скважины под действием усилий, возникающих при бурении. Показателем служит скорость бурения (мм/мин), иногда — продолжительность бу­рения 1 м шпура (мин/м). Существует классификация горных пород по буримости.