Физико-механические свойства горных пород

Знание физико-механических свойств горных пород позволяет заблаговременно составить представление о характере возможных деформаций и степени устойчивости обнажений массива, а также является основанием для разработки и внедрения наиболее эффективных методов разрушения горных пород при ведении горных работ, крепления и поддержания горных выработок.

Под механическими свойствами горных пород понимаются характеристики, определяющие способность пород сопротивляться деформированию и разрушению в сочетании со способностью упруго или пластически деформироваться под действием внешних механических сил. Механические свойства пород можно подразделить на прочностные, упругие, акустические и др.

При проведении горных работ приходится иметь дело в основном с твердыми породами, свойства которых зависят не только от их минералогического состава, но и от условий образования.

Прочность характеризует способность горной породы сопротивляться раздавливающим, разрывающим и скалывающим нагрузкам.

Пределом прочности называется напряжение, при котором образец породы разрушается,

Ϭ=Р/F,

где Р - величина внешней разрушающей нагрузки, Н; F—площадь, на которую действует приложенная нагрузка, м2.

Сцепление определяет сопротивляемость горных пород тангенциальным нагрузкам

Ƭ=T/F,

где T - величина общей тангенциальной нагрузки, Н.

Угол внутреннего трения характеризует вязкое сопротивление пластическому течению в образце породы при превышении предела упругости. Этот угол определяет внутреннее трение между частицами породы, образующими соответствующие плоскости скольжения.

Большинство горных пород имеет зернистую структуру. Типичными породами, имеющими зернистую структуру, являются песчаники. У большинства горных пород межкристаллическое сцепление или прочность цемента, скрепляющего зерна, значительно меньше прочности самих зерен. Такие горные породы— хрупкие и разрушаются без предварительной пластической деформации. Ограниченное количество горных пород (глины, некоторые виды известняков) обладает пластическими свойствами.

Горные породы имеют достаточно высокую прочность только на сжатие, сопротивление же их растяжению, сдвигу и изгибу очень мало и составляет десятые и сотые доли сопротивления сжатию.

При процессах механического разрушения горных пород (зарубка, бурение, отбойка и т. д.) чаше находит применение термин «крепость горной породы».

Крепостью горной породы называют способность породы сопротивляться воздействию внешних усилий (бурению, отбойке, взрыванию и т. д.).

Данные о физико-механических свойствах горных пород получают путем испытания их образцов па сопротивление сжатию, разрыву, изгибу и сдвигу.

К свойствам горных пород относят также обобщающие их характеристики разрушаемости механическими способами. Сюда входят дробимость ударом, абразивность и контактная прочность.

Дробимость — сопротивление горной породы разрушению, которое оценивается по расходу энергии на дробление.

Под термином «абразивность горных пород и угля» понимают их способность истирать металлы, твердые сплавы и другие твердые тела. Поэтому абразивность обычно оценивают по износу материала, контактирующего с горной породой.

За критерий абразивности принята суммарная потеря массы стержня из незакаленной стали при его истирании о поверхность образца горной породы. При этом истирание стержня производится в течение 10 мин при напряжении 1,5 МПа и частоте вращения 400 мин-1.

Численно показатель абразивности горных пород при бурении можно выразить по величине износа режущих кромок инструмента или уменьшению его массы по формуле

Ак=В1-В2/ɭ

где B1 иB2 — масса буровой коронки до и после бурения, г; ɭ - длина пробега коронки (длина пробуренных шпуров), м.

Шкала абразивностигорных пород (по Л. И. Барону и А. В. Кузнецову) приведена в табл. 3.2

 

 

Таблица 3.2

Класс абразивности	Наименованиекласса пород	Показатель абразивности	Порода
l	Весьма малоабразивные	<5	Известняк, мрамор, мягкие сульфиды без кварца (галенит, сфалерит, пирротин), апатит, каменная соль.
ll	Малоабразивные	5 – 10	Сульфидные руды, баритосульфидные руды, аргиллиты, мягкие сланцы, углистые, глинистые, хлоритовые, хлорито-аспидные.
lll	Ниже средней абразивности	10 - 18	Джеспилиты, роговики (рудные и нерудные), кварцево-сульфидные руды, магматические тонкозернистые породы, песчаники, кварцевые и аркозовые тонкозернистые, руды железные, известняки окремененные.
lV	Среднеабразивные	18 – 30	Песчаники кварцевые и аркозовые, мелкозернистые диабазы, плавленый базальт, крупнозернистый пирит, арсенопирит, жильный кварц, кварцево-сульфидные руды, мелкозернистые магматические породы, окварцованные известняки, джаспероиды.
V	Выше средней абразивности	30 – 45	Песчаники кварцовые и аркозовые, средне- и крупно зернистыеплагиограниты, нефелиновые сиениты, мелкозернистые граниты, мелкозернистые диориты, порфириты, грейзеры, лапрофиры, габро, скарны (рудные и нерудные).
Vl	Повышенной абразивности	45 – 65	Породы магматические, средне- и крупнозернистые граниты, диориты, гранодиориты, порфириты, нефелиновые сиениты, сиениты, кератофиры, пироксенты, моноциты, амфиболиты, сланцы кварцевые и окварцованные, гнейсы.
Vll	Высокоабразивные	65 - 90	Порфириты, диориты, граниты, гранитоидные нефелиновые сиениты.
Vlll	высшей степени абразивности	>90	Корундсодержащие породы.

 

 

Сопротивляемость горной породы внедрению инструмента или вдавливанию при статическом воздействии называют статической твердостью.

Одной из наиболее простых является шкала относительной твердости Мооса, не утратившая практического значения до настоящего времени.

Под контактной прочностью понимается сопротивление горной породы вдавливанию плоского штампа в необработанную поверхность горной породы:

Р_к=Р/S,

где Р_к — контактная прочность, МПа; Р — усилие в момент хрупкого разрушения (выкол лунки), Н; S — площадь штам­па, см².

Этот метод определения сопротивляемости горных пород наи­более полно воспроизводит условия их разрушения при шаро­шечном бурении и широко применяется в горной практике.

Хрупкость — свойство горных пород разрушаться без пластических деформаций. Это свойство чаще всего проявляет­ся при воздействии динамической нагрузки, например при ударе буровым инструментом. Между хрупкими и пластичными тела­ми нельзя провести резкой грани, так как одно и то же тело в зависимости от рода и скорости нагрузки может быть и хруп­ким, и пластичным.

Твердость — свойство горной породы оказывать сопротив­ление внедрению или вдавливанию в нее инструмента. Примени­тельно к поликристаллическим телам, какими являются многие горные породы, следует отличать твердость отдельных компо­нентов (кристаллов), из которых состоит порода, от ее агрегатной твердости.

Вязкость — свойство горной породы сопротивляться уси­лиям, стремящимся отделить часть породы от массива. Вяз­кость часто выражается через работу деформации — работу, не­обходимую для разрушения породы. Вязкость зависит от проч­ности и пластичности породы, она возрастает с повышением каждой из этих величин. В однородных и простых породах вяз­кость равномерна во всех направлениях. В неоднородных поро­дах вязкость меньше вдоль слоев и больше в направлении, перпендикулярном к слоям. Если вязкость известняка принять за 1, то относительная вязкость песчаника составит 1,1. а кварца— 1,9.

Пористость характеризуется объемом пор в породе. На­личие в породе пор и трещин уменьшает силы сцепления и об­легчает разрушение породы под действием бурового инструмен­та. Чем больше объем пор, тем меньше ее плотность.

Пористость горных пород изменяется в широких пределах и зависит от размеров и формы зерен, слагающих породу, а также от минералогического состава, однородности, плотности ее сложения. Пористость ряда гранитов составляет 1,2%, песчаников — 4,8—28%, а глин —до 47%. При наличии пористости горные породы должны обладать сжимаемостью (уменьшением объема после сжатия), однако практически сжимаемость гор­ных пород незначительна. Например, уменьшение образца гли­нистого сланца после сжатия его под давлением 100 МПа со­ставляет 0,71%, каменного угля.—2,32%.

Плотность горной породы — масса единицы объема (т/м³) горной породы в естественном ее состоянии со всеми со­держащимися в ее порах жидкостями и газами. Плотность горной породы выражает степень заполнения минеральным ве­ществом данного объема породы или отношение массы тела к ее объему.

Упругостью называется свойство тела восстанавливать первоначальную форму после прекращения действия на него силы. Изменение формы тела после прекращения действия на него силы называется деформацией.

Свойство тела сохранять новую форму после прекращения действия силы называется пластичностью.

Ползучесть — способность горной породы замедленно деформироваться в результате силового воздействия неизменной интенсивности. Ползучесть горных пород имеет большое значе­ние при поддержании горных выработок, так как от этого зависят смещение на контуре выработок и, следовательно, величина нагрузок на крепь.

Ползучесть горных пород в большей мере проявляется на больших глубинах от поверхности. Разрыхляемостью называют свойство горных пород занимать в разрыхленном состоянии больший объем по сравне­нию с тем объемом, который эта горная порода занимает в мас­сиве. Отношение объема породы в разрыхлённом состоянии к объему той же породы в массиве называется коэффициентом разрыхления. Величина этого коэффициента зависит от крепости породы, ее строения и сложения, способа добычи, степени ее дробления и соотношения между крупностью кусков, наличия воды. Наиболее разрыхляемыми являются твердые и прочные породы, наименьшей разрыхляемостью обладают малосвязанные и рыхлые породы.

В результате действия сил тяжести и влаги с течением вре­мени куски и частицы породы уплотняются, В этом случае име­ет место так называемая остаточная разрыхляемость.

Трещиноватость горных пород — совокупность
трещин разного происхождения и разных размеров, обычно со­общающихся между собой

Трещиноватость горных пород значительна ослабляет устой­чивость массива, существенно влияет на параметры буровзрыв­ных работ, способы проведения, крепления и поддержания гор­ных выработок. Влагоемкость— свойство горных пород удерживать воду (в порах и трещинах). Влагоемкость определяют по количеству оставшейся воды после свободного стекания ее избытка с образца, который предварительно был погружен в воду. Влагоемкость выражается в процентах, отнесённых к объему или массе образца. По влагоемкости горные породы делятся на влагоемкие (глины, торф и др.), слабовлагоемкие (пески, мергели, мел и др.), невлагоемкие (галечник, гравий, каменистые породы).

Водопроницаемость — способность горных пород пропускать воду. Величина влагопроницаемости определяется скоростью фильтрации, которая равна количеству воды, протекаю­щей через единицу площади поперечного сечения фильтрующей породы. Эта зависимость характеризуется коэффициентом фильтрации, т.е. скоростью фильтрации при напорном градиенте, равном единице. Коэффициент фильтрации выражают обычно в м/сут. или см/с. Газоносность горной породы—количество газов, содержащихся в весовой или объемной единице горной породы в виде свободных и сорбированных газов. Газоносность обычно измеряется в м³/т или м³/м³. Различают газоносность горной породы потенциальную, природную и остаточную. Потенциальная газоносность — возможная в определенных термодинамических условиях (температура, газовое давление, пористость и т. п.); природная — в природных условиях; остаточная—газоносность частично дегазированной горной породы в результате ведения горных работ.

Газопроницаемость - способность горной породы (угля) пропускать сквозь себя газ. Газопроницаемость является основным свойством горной породы, проявляющимся при фильт­рации газа. Газопроницаемость зависит в основном от свойств этой породы и отчасти от свойств самого газа.

Пучение горных пород - вязкопластическое течение пород в виде выдавливания их в выработку, обусловленное горным давлением.