ТОП 10:

СПЕЦИАЛЬНЫЕ ГОРНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ ГОРНЫХ ПОРОД



 

Специальные горно-технологические параметры – это комплексные показатели свойств пород, установленные эмпирическим путём и характеризующие поведение пород при воздействии на них конкретным инструментом, механизмом или технологическим процессом.

Эти параметры подразделяются на группы по принципу принадлежности к определённым процессам технологического воздействия:

– параметры, характеризующие общую разрушаемость пород механическим способом (твёрдость, крепость, вязкость, дробимость);

– параметры, характеризующие разрушаемость пород определёнными механизмами (буримость, взрываемость, сопротивляемость пород резанию и т. д.);

– параметры, оценивающие воздействие породы на инструмент (абразивность);

– параметры, оценивающие качество полезного ископаемого (для углей – коксуемость; для строительных материалов – термостойкость и морозостойкость);

– параметры, устанавливающие производительность или эффективность различных процессов воздействия на горные породы (обогатимость, флотируемость, устойчивость в отвалах и т. д.);

– параметры, определяющие особое поведение пород при разработке месторождений полезных ископаемых (выбросоопасность, метаноносность, самовозгораемость и т. д.).

К основным горно-технологическим параметрам пород относятся: крепость, контактная прочность, абразивность, дробимость, сопротивляемость пород резанию, буримость, взрываемость, липкость, размокаемость, набухание и сопротивление копанию.

 

 

Крепость

Для сравнения различных пород по разрушаемости, а также для разработки нормативов производительности машин и приближённой экономической оценке разрушения пород в 1912 году проф. М. М. Протодьяконовым (старшим) было предложено понятие крепости. Крепость рассматривалась как сопротивление пород разрушению, независимо от рода применяемых машин или механизмов. Мерой этого свойства является коэффициент крепости f.Для его определения проф. М. М. Протодьяконов (старший) испытывал на одноосное сжатие образцы пород кубической формы с размером ребра 5 см. Пределы изменения прочности на одноосное сжатие образцов составили от 3 до 200 МПа. Тогда коэффициент крепости определялся из выражения:

 

(7.1)

где sсжпорочность на сжатие испытанного образца, МПа;

10 – предел прочности на сжатие эталонного образца, МПа.

Проф. М. М. Протодьяконов разделил все породы по величине коэффициента крепости на 10 категорий.

Таблица 7.1 – Шкала крепости пород по М. М. Протодьяконову

 

Категория крепости Степень крепости Коэффициент крепости, f
І Высшей степени крепкие
ІІ Очень крепкие
ІІІ Крепкие
ІІІa Крепкие
ІV Довольно крепкие
Іva Довольно крепкие
V Средней крепости
Va Средней крепости
Довольно мягкие
VIa Довольно мягкие 1,5
VІІ Мягкие 1,0
VІІa Мягкие 0,8
VІІІ Землистые 0,6
ІX Сыпучие 0,5
X Плывучие 0,3

 

Предлагая формулу для определения коэффициента крепости, проф. М. М. Протодьяконов имел сравнительно небольшое количество данных о результатах испытаний пород на сжатие. Кроме того, из-за невысокого уровня развития испытательной техники того времени, средняя величина коэффициента крепости была занижена. Поэтому в 1958 году проф. Л. И. Барон по результатам испытаний цилиндрических образцов на сжатие предложил следующую формулу для определения коэффициента крепости

 

(7.2)

В 70-е годы была предложена формула для определения осреднённого коэффициента крепости породы

 

(7.3)

 

где σр предел прочности породы на одноосное растяжение, МПа.

В настоящее время известно более пятидесяти методов определения коэффициента крепости породы, в том числе – по производительности труда бурильщика в смену; по количеству взрывчатого вещества, расходуемого на разрушение породы взрывом и т. д. В соответствии с Государственным стандартом Украины коэффициент крепости породы определяется методом толчения породы с помощью прибора ПОК.

 
 

Прибор ПОК (рисунок 7.1.) состоит из стакана 1, вставленного в него трубчатого копра 2, внутри которого свободно помещается гиря 3, массой 2,4+0.01 кг с ручкой 4, привязанной к гире шнуром. Трубчатый копёр имеет в верхней части отверстия, в которые вставляют штифты 5, ограничивающие подъём гири. В комплект прибора входят: объёмометр, состоящий из стакана 6 и плунжера 7 со шкалой измерений с диапазоном показаний от 0 до 150 мм вдоль его продольной оси; сито с сеткой №05 (d=0.55мм) для рассева порций после дробления.

 

Рисунок 7.1 – Прибор для определения крепости (ПОК)

 

Отобранную пробу горной породы раскалывают молотком на твёрдом основании до получения кусков размером 20-40мм. Из измельчённого материала пробы отбирают 20 навесок массой 40-60 грамм каждая. Число сбрасывания гири на каждую навеску устанавливают при дроблении первых пяти навесок. Каждую навеску дробят в стакане гирей, падающей с высоты 0,6м. Число сбрасывания гири принимают в зависимости от ожидаемой крепости породы от 5 до 15 сбрасывания на каждую навеску.

Оставшиеся 15 навесок дробят в приборе последовательно в установленном режиме испытания при постоянном числе сбрасывания гири.

После дробления каждых пяти навесок их материал просеивают в сите; подрешётный продукт сита ссыпают в объёмометр, замеряют плунжером высоту столбика мелочи h.

Коэффициент крепости породы для каждой серии испытаний пяти навесок определяют по формуле

 

(7.4)

 

где 20 – эмпирический числовой коэффициент;

n – число сбрасывания гири при испытании одной навески;

h – высота столбика мелочи после испытания 5 навесок, мм.

Окончательный результат испытаний определяется как среднее арифметическое.

 

 

Контактная прочность

Контактная прочность характеризует сопротивление породы разрушению при внедрении в её поверхность твёрдого тела.

Для большинства пород используется метод определения контактной прочности, разработанный в ИГД им. А. А. Скочинского.

Согласно этого метода, вдавливание цилиндрического штампа с плоским основанием производится в не шлифованную поверхность породного образца. В связи с тем, что получаемые результаты существенно отличаются от значения твёрдости при вдавливании штампа, этот показатель назвали контактной прочностью.

Образец породы объемом 150-200 кубических сантиметров и толщиной не менее 100-120 мм (в противном случае возможно раскалывание породы при вдавливании штампа) должен иметь примерно параллельные грани. При необходимости поверхность образца подвергается обдирке на абразивном круге или грубой околке. Замеряется площадь S вдавливаемой в породу части штампа. Образец помещается под пресс, с помощью которого производится вдавливание штампа.

Нагружение образца производится в один приём со скоростью 3415 мм/мин до появления лунки выкола. По шкале сило измерителя пресса определяется усилие вдавливания P, необходимое для образования лунки выкола. Нагружение образца производится на разных участках одной поверхности не менее 25-30 раз. Показатель контактной прочности определяется в кгс/мм по формуле

 

, (7.5)

где Ріразрушающее усилие для образования лунки выкола дляі -го испытании, кгс;

n– количество испытаний;

S – сечение рабочей поверхности штампа, мм.

По величине показателя контактной прочности все породы разделены на 12 классов. Например, I класс пород называется «слабые» и имеет Рк < 30 кгс/мм2, а XII класс, «крепчайшие» – Рк > 565 кгс/мм2.

 

 

Абразивность

Абразивность характеризует способность породы изнашивать при трении о неё инструмент (горных машин или оборудования). От абразивности пород в большой степени зависит производительность буровых машин, добычных и проходческих комбайнов.

Абразивность оценивается по износу материала, контактирующего с горной породой. Различают абразивность пород в массиве и в разрушенном (раздробленном состоянии). Во втором случае величина абразивности существенно выше.

Известные методы определения абразивности можно разделить на две группы:

– лабораторные (основаны на измерении массового износа при истирании породного образца о наждачную шкурку или стального эталонного стержня, трущегося о породу);

– производственные (абразивность породы оценивается по изменению осевого усилия при сверлении породы с постоянным усилием подачи).

Сущность лабораторного метода измерения относительной износостойкости пород заключается в следующем. К вращающемуся полому цилиндру, обтянутому наждачной шкуркой, с помощью специальных грузов прижимают образец горной породы. По результатам испытаний строят графики зависимости массового износа образца от времени при заданных усилиях прижатия образца к поверхности цилиндра и угловой скорости вращения. Затем, по ним определяют относительные износостойкость и абразивность. Такой метод испытаний часто применяется для оценки износостойкости различных строительных материалов.

Для горных пород, испытуемых на абразивность, чаще используется следующая методика, разработанная в ИГД им. А.А. Скочинского. Сущность метода заключается в истирании эталонного цилиндрического стержня из термически необработанной стали (марка стали У8А) диаметром 8 мм об естественную поверхность породного образца на переоборудованном настольном сверлильном станке при осевом усилии 0,15 кН и скорости вращения 400 об/мин. За показатель абразивности породы (А), принята потеря массы эталонного стержня в мг за 10 мин испытаний. Перед испытанием эталонный стержень взвешивается с точностью до 0,1 мг (G1). После этого, образец породы массой от 0,1 до 4,0 кг зажимают между деревянными прокладками в станочных тисках, так, чтобы верхняя поверхность была горизонтальной. Затем шпиндель, с закреплённым в патроне эталонным стержнем длиной 50-70мм опускают на образец и включают привод станка на 10 мин. По окончании опыта эталонный стержень взвешивают (G2). Показатель абразивности вычисляют по формуле

 

(7.6)

По величине показателя абразивности все породы разделены на 8 классов (таблица 7.3).

 

Таблица 7.3 – Шкала абразивности горных пород

 

Класс абразивности Наименование класса Показатель абразивности, А, мг
I Весьма малоабразивные <5
II Малоабразивные 5-10
III Ниже средней абразивности 10-18
IV Средней абразивности 18-30
V Выше средней абразивности 30-45
VI Повышенной абразивности 45-65
VII Высокоабразивные 65-90
VIII Высшей степени абразивности >90

 

Для определения абразивности пород в производительных условиях применяют прибор ПТА.

Для разрыхлительных (рыхлых) горных пород выделяют 2 показателя, характеризующих абразивность: абразивность трения и ударную абразивность. Абразивность трения характеризует износ контактирующего с породой рабочего инструмента при его перемещении. Ударная же абразивность характеризует износ поверхности при ударах о них кусков породы.

 

 

Дробимость

Дробимость характеризует процесс объемного разрушения породы с большой скоростью нагружения. В настоящее время известно много способов определения дробимости, как правило, основанных на измерении энергоёмкости процесса дробления или величины вновь образованных поверхностей после дробления.

Наибольшее распространение получил метод, разработанный в ИГД им. А. А. Скочинского, основанный на разрушении образцов породы произвольной формы с последующим ситовым анализом продуктов разрушения. Метод заключается в следующем: с высоты 0,5 м на образец породы однократно сбрасывается гиря массой 16 кг. Масса образца неправильной формы должна составлять около 0,07 кг с отклонением до 15%. Измельчённая порода просеивается через сито диаметром 7×10-3 м. На технических весах взвешивают породу, прошедшую через сито G, г. Показатель дробимости (Кдроб) численно равен суммарному объему фракций, прошедших через сито с диаметром 7 мм в кубических сантиметрах

 

, (7.7)

 

где g – объемная масса породы, г/см3

По величине показателя дробимости все породы разделены на 6 классов (таблица 7.4).

 

Таблица 7.4 – Классификация пород по дробимости

Класс по дробимости Характеристика класса Величина показателя дробимости, см3
І В высшей степени труднодробимые породы <1,8
ІІ Весьма трудноразрушаемые породы 1,81-2,70
ІІІ Трудноразрушаемые породы 2,71-4,0
ІV Среднедробимые породы 4,01-6,0
V Легкодробимые породы 6,01-9,0
Очень легкодробимые породы >9,0

Дробимость пород – параметр, обратный вязкости. Для оценки дробимости пород, возможно использовать величину, обратную удельной работе разрушения.

 

 

Сопротивляемость резанию

 

Сопротивляемость резанию – это параметр, характеризующий приращение силы резания пород в массиве на 1 см толщины среза.

Для определения сопротивляемости пород резанию в настоящее время используется методика, разработанная в ИГД им. А. А. Скочинского. С её помощью определяется сопротивление углей резанию стандартным одиночным резцом, в условиях забоя, с замерами усилий прибором ДКС (динамометр крупного скола).

Прибор ДКС-2 (рисунок 7.2) состоит из распорной стойки 1 с державкой 2, закрепленной в поворотной обойме 3 эталонного резца 4. Через сцепное устройство с датчиком 5, резец 4 поворачивается относительно стойки 1 лебёдкой 7. Усилия резания записываются регистрирующим гидравлическим манометром, который состоит из датчика 5, записывающего аппарата 8 с приводом 7.

Методика определения сопротивления угля резанию заключается в следующем: после зачистки забоя на глубину более 0.4 м, производят обработку забоя поворотом державки с резцом вокруг стойки. Для сбора разрушенного угля на почве пласта вплотную к забою расстилают брезент. Выдвигают резец из державки для получения среза нужной толщины h (от 2 до 15см), регулируя т. о., чтобы максимальное усилие на динамометре не превышало 4500кгс. Не меняя высоту установки резца, от почвы пласта делают не менее 4 срезов. Затем смещают резец по вертикали не менее, чем на 5 ширин и повторяют эксперимент. При каждом эксперименте фиксируют: усилие резания, высоту оси среза от почвы пласта, длину пути резания, массу угля от ширины среза, ширину бокового развала. После этого, строят по данным опытов графики усилий резания Zср. как функцию от толщины среза h.

Тогда, сопротивляемость углей резанию представляет собой приращение усилий резания на 1 см толщины среза

 

, кгс/см, (7.8)

Где Zсрусилие резания, кгс;

h – толщина среза, см.

 

 

Рисунок 7.2 – Прибор ДКС–2

 

По величине сопротивляемости резанию, угли разделяются на 8 категорий (І категория – до 60 кгс/см, а VІІІ категория – свыше 420 кгс/см)

Существуют и другие методики определения сопротивляемости пород резанию, разработанные в ИГД им. Скочинского, ДонУГИ и Донгипромуглемаше.

Так ИГД им. Скочинского разработал методику определения сопротивляемости угля резанию динамометрическим сверлом СДМ-1, сущность, которой заключается в разбуривании заранее пробуренного шпура диаметром 42 мм коронкой СДМ, диаметром 62 мм с записью момента сопротивления резанию.

Сконструированы приборы ПОР-3 (ДонУГИ) и ПР-5 (Донгипроуглемаш), позволяющие определить сопротивляемость резанию, принцип работы которых основан на притягивании резца вдоль предварительно пробуренного шпура диаметром 42 мм с замером усилий резания. Сопротивляемость резанию для пород изменяется в широком диапазоне. Некоторые справочные данные для пород Донбасса приведены в таблице 7.5.

 

 

Буримость

Под буримостью понимают способность горных пород оказывать сопротивляемость проникновению в них бурового инструмента в процессе бурения. Буримость оценивают длиной шпура, пробуренного за единицу времени в стандартных условиях или чистым временем бурения Тб 1 м шпура в стандартных условиях.

Таблица 7.5 – Значение сопротивляемости резанию для пород Донбасса.

Наименование пород Значение сопротивляемости резанию, кгс/см
Уголь 20-400
Углистый сланец 70-250
Глинистый сланец 120-350
Песчаный сланец 200-500
Песчаник 380-1000
Известняк 300-600
Твёрдые включения 500-2000

 

Под стандартными условиями понимают применение при бурении определённого инструмента, армированного стандартными сплавами, постоянный диаметр шпура, постоянный режим бурения (энергия удара, скорость вращения, осевое давление, давление сжатого воздуха в магистрали и т. д.). Определяется буримость методом обуривания забоев на основании хронометража чистого времени бурения. В настоящее время существуют несколько классификаций (шкал) горных пород по буримости, однако все они связаны между собой и с коэффициентом крепости пород по шкале М. М. Протодьяконова. Классификация пород, вошедшая в строительные нормы и правила (СНиП) представлена в таблице 7.7.

В качестве показателя буримости в некоторых случаях можно принимать энергоёмкость бурения единицы длины шпура. Так, для вращательного бурения она определяется из выражения

 

, (7.9)

 

гдеW – средняя нагрузка на двигатель сверла;

V – средняя скорость бурения.

При разведочном бурении показатель буримости устанавливают по скорости бурения.

По величине показателя трудности бурения ПБ все горные породы разделены на 5 классов по 5 категорий в каждом классе. К первому классу отнесены легкобуримые породы (ПБ = 1-5 ); ко второму – породы средней трудности бурения (ПБ =6-10); к третьему – труднобуримые (ПБ =11-15); к четвёртому – весьма труднобуримые (ПБ =16-20); к пятому – исключительно труднобуримые породы (ПБ =21-25).

 

 

Таблица 7.6 – Классификация пород по СНиП

Категория пород по крепости и способу разработки Коэффициент крепости, f, ед. Категория крепости пород по СниП Тб, мин дляперфоратора ПР-24 Л
Внекатегорийная (разрабатывается взрывным способом (БВР)) 15-18 XІ X 9,85
І (разрабатывается БВР) ІX 849,5
ІІ (разрабатывается БВР) VІІІ 6,646,95
ІІІ (разрабатывается БВР) VІІ VІІ4VІ 4,546,55
ІV (разрабатывается БВР и отбойными молотками (ОМ)) V 3,8-4,45
V (разрабатывается ОМ) 1,542 1,5 ІV ІІІ4ІІ 2,643,75
VІ (разрабатывается ОМ) 141,5 ІІІ4ІІ <2,6
VІІ (разрабатывается вручную) 0,9 0,6 0,4 ІІІ4ІІ І І - - -

 

 

Взрываемость

Взрываемость характеризует сопротивляемость горной породы разрушению взрывом. Взрываемость пород оценивается расходом взрывчатого вещества (ВВ) или шпуров на 1 м породы в массиве. Эти показатели называются удельный расход ВВ и удельный расход бурения соответственно. Удельный расход ВВ – q в кг ВВ/м3 породы определяется через эталонный удельный расход ВВ – q0, зависящий от коэффициента крепости пород по шкале М.М. Протодьяконова (f)

 

(7.10)

Эталонный удельный расход ВВ для пород составляет от 50 до 1000 г/м3. С учётом поправочного коэффициента, учитывающего свойства ВВ, схему взрывания и размеры шпура (К), формула для определения удельного расхода ВВ запишется в виде

 

(7.11)

Взрываемость горных пород можно определить также по максимальной линии наименьшего сопротивления (л.н.с.), представляющей собой зону, где взрыв заряда эталонного ВВ производит отрыв породы от массива при постоянной длине заряда, диаметре и глубине шпура. Тогда взрываемость выразится отношением максимальной л.н.с. к глубине шпура и объёму ВВ в шпуре.

Различают лёгкую, среднюю, трудную и весьма трудную взрываемость пород.

 

 







Последнее изменение этой страницы: 2016-04-19; Нарушение авторского права страницы

infopedia.su Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав. Обратная связь - 18.207.240.230 (0.013 с.)