Свойства пород, влияющие на процессы горных работ, назовем горно-технологическими. Горно-технологические свойства пород необходимо знать для правильного выбора способа и режимов горнопроходческих работ; эти свойства определяют преимущественно в лабораторных условиях при экспериментах с образцами типичных для разведуемого месторождения пород. К основным горно-технологическим свойствам можно отнести следующие.
- Физико-технические характеристики: плотность, плотность минерального скелета, пористость, насыпная плотность.
- Упругие, пластические и прочностные характеристики, определяющие поведение пород при воздействии нагрузок.
- Горнотехнические характеристики: абразивность, буримость и взрываемость пород.
Физико-технические характеристики пород
Под плотностью ρ0 понимают массу единицы объема породы в ее естественном состоянии (в том числе и объем пор). Плотность породы необходима для подсчета запасов полезных ископаемых, определения производительности горных предприятий, расчетов горного давления, которое возникает вследствие напряженного состояния пород в земной коре и проявляется при проведении горных выработок.
При лабораторных исследованиях плотность пород обычно определяют с помощью волюменометров (объемомеров) или гидростатическим взвешиванием. В первом случае плотность породы устанавливают по отношению массы породного образца к массе вытесненной им из волюменометра воды; во втором – по отношению массы образца, взвешенного в воздушной среде, к разнице между этой массой и массой образца, взвешенного в водной среде. Плотность пород чаще всего составляет от 1500 до 3500 кг/м², наибольшей плотностью обладают руды, содержащие гематит, пирит, магнетит.
Плотностью минерального скелета ρм называют массу единицы объема ее твердой фазы (минерального скелета без пор и влаги). Плотность минерального скелета породы, как правило, выше ее общей плотности ρм определяют обычно пикнометрическим способом, который основан на измерении изменения массы пикнометра, наполненного жидкостью, при замене части этой жидкости на веской мелкоизмельченной породы.
Под пористостью породы понимают суммарный относительный объем содержащихся в ней пор, при этом к порам не от носят крупные полости и трещины.
Различают открытые и закрытые поры; первые соединяются между собой, вторые изолированы друг от друга. Совокупность открытой и закрытой пористости называют общей пористостью пород m0. Пористость обусловливает водо- и газопроницаемость пород, определение ее приобретает особое значение при проведении горных выработок в газо- и водоносных породах; в известной мере она устанавливает эффективность некоторых способов отбойки горных пород.
Общую пористость породы вычисляют следующим образом:
Насыпной плотностью
Упругие, пластические и прочностные характеристики пород
Деформируемость породы ее способность под действием на грузок изменять объем и форму без изменения массы и раз рушения. Различают упругие и пластические деформация пород. В процессе нагружения порода по мере возрастания напряжений претерпевает упругие (обратимые) и пластические (необратимые) деформации; при достижении напряжений предела прочности по рода разрушается. Поэтому деформационные характеристики пород представляют научный и практический интерес для совершенствования процессов разрушения пород при отбойке и для предотвращения разрушения пород с целью сохранения горной выработки. Основные показатели упругих свойств пород модуль упругости Е и коэффициент Пуассона μ.
Под модулем упругости понимают коэффициент пропорциональности между величиной напряжений и относительной деформацией породы при сжатии или растяжении. Наиболее часто Е определяют при статическом сжатии пород. Сущность эксперимента заключается в поэтапном сжатии на прессе цилиндрического породного образца по главной оси и в достаточно точном измерении (с помощью тензодатчиков или механических измерительных приборов) его продольных деформаций. Модуль упру гости пород меняется чаще всего от 103 до 105 МПа; наименьшая величина его характерна для кислых пород, наибольшая для ультраосновных.
При нагружении образцы породы деформируются сжимаются в направлении действия нагрузки и увеличиваются в поперечном сечении. Отношение относительных поперечных деформаций к относительным продольным называют коэффициентом поперечной деформации или коэффициентом Пуассона (безразмерная величина).
Опыты по определению коэффициента Пуассона аналогичны описанным выше, однако при нагружении на прессе образца горной породы измеряют не только продольные, но и поперечные деформации. Поперечные деформации пород невелики, и поэтому и имеет небольшие величины: для кислых пород
Пластические деформации проявляются в горных породах при продолжительном воздействии нагрузок, в частности, огромные пластические деформации отмечались в процессах складкообразования, при которых изменение форм залегания пород без разрывов и разрушений происходило в течении целых геологических периодов.
В осадочных породах пластические свойства проявляются интенсивнее, чем в магматических; ярко выраженными свойствами пластичности обладают влажные глинистые породы.
В качестве численного показателя пластичности обычно пользуются коэффициентом Kn безразмерной величиной, равной соотношению общей работы разрушения и работы, затраченной на упругие деформации. Опыты проводят при сжатии до разрушения на прессе породных образцов с фиксацией и последующей обработкой графика деформации как функции от сжимающей нагрузки.
Прочностные свойства пород, выражаемые пределами прочности на сжатие, растяжение, сдвиг и изгиб, обеспечивают получение важных характеристик, используемых при практических расчетах режимов отбойки пород в параметров горных выработок, а также в конструкторских разработках и научных исследованиях. Прочностные испытания проводят приложении на исcледуемые образцы статических (на прессах) или динамических (на копрах) нагрузок, которые обеспечивают разрушение породы.
При прочностных испытаниях пород для получения сопоставимых показателей следует учитывать, что на эти показатели влияют форма и размеры образцов горных пород, поэтому для определения того или иного показателя изготовляют одинаковые породные образцы (зависимость прочности от размеров образцов получила название масштабного фактора и объясняется наличием дефектов и неоднородностей в породе). Наиболее распространено определение предела прочности пород при одноосном статическом сжатии.
Сущность опытов сводится к сжатию на прессе вплоть до разрушения цилиндрического породного образца (d=h=40-45мм, где d и h соответственно диаметр и высота образца) с фиксацией разрушающей нагрузки. Предел прочности σсж вычисляют как частное от деления величины разрушающей нагрузки на площадь поперечного сечения образца. Для многих пород предел прочности на сжатие составляет от 5 до 200 МПа. Представляет значительный практический интерес поведение пород не только при одностороннем, но и при всестороннем (объемном) сжатии. Опыты по всестороннему сжатию породных образцов ведут на прессах, образцы помещают в гидравлические приборы стабилометры. При объемном сжатии увеличиваются прочность и пластичность пород. Прочность пород зависит от времени воздействия на них нагрузки; при длительном воздействии сжимающих или других напряжений прочность пород, называемая долговременной, снижается.
Пределы прочности на растяжение, сдвиг и тем более на изгиб определяют значительно реже, и получаемые показатели используют преимущественно в научно-исследовательских целях.
Горнотехнические характеристики пород
Показатели горнотехнических характеристик пород абразивности, буримости и взрываемости определяют эффективность основного процесса горных работ разрушения пород. Эти показатели используют главным образом для целей нормирования (времени, труда, материалов и энергии), а также при выборе peжимов и средств выполнения отбойки пород и некоторых других технологических операциях.
Под абразивностью пород понимают их способность изнашивать (при трении) породоразрушающий инструмент или другие контактирующие с породой рабочие органы горных машин; материалы и конструкции изнашиваемых деталей должны выбираться с учетом абразивности пород. Абразивность пород зависит от твердости, формы и размеров зерен минералов, прочности связей между зернами, однородности и пористости породы. Абразивность пород устанавливают в лабораторных и производственных условиях.
Один из наиболее простых способов определения абразивности пород заключается в оценке интенсивности истирания вращающегося стального стержня при трении о необработанную поверхность породного образца. Стержень вращается шпинделем настольного сверлильного станка, износ стержня устанавливают по уменьшению массы после определенного количества оборотов при регламентируемой подаче, показатель абразивности породы а выражается в уменьшении массы металла (в мг); значение показателя абразивности породы меняется от 5 (например, мрамора) до 65-90 (гранитов, диоритов). В производственных условиях абразивность определяют при бурении скважин по уменьшению массы или изменению степени затупления бурового инструмента, а также по снижению скорости бурения.
Под буримостью понимают сопротивляемость породы разрушающему действию инструмента в процессе бурения. Эта характеристика в наибольшей степени обусловливает эффективность буровых работ при проведении горно-разведочных выработок H разведочном бурении. Буримость характеризуется временем, затрачиваемым на бурение 1м скважины. Показатель буримости зависит не только от свойств породы, но и от ряда технологических факторов, поэтому обычно его определяют непосредствен- но в производственных условиях применительно к конкретному виду бурения и типу бурового оборудования. При этом бурение осуществляют в соответствии с инструкциями, регламентирующими все параметры испытаний. Взрываемостью породы называют ее сопротивляемость разрушению при взрывной отбойке от массива. Взрываемость пород обычно оценивают удельным расходом ВВ, т. е. количеством взрывчатого вещества (в кг), необходимым для разрушения 1м3 породы в массиве.
Во многих случаях при производстве горно-разведочных работ с использованием ВВ взрываемости пород не придают значения, например, при установлении нормативов на проходку выработок пользуются только характеристикой буримости пород. В результате этого нередко возникают недоразумения, так как между буримостью и взрываемостью пород далеко не всегда прослеживаются взаимосвязи. Один из способов определения взрываемости сводится к взрыванию в породном массиве забоя геологоразведочной выработки одиночных зарядов ВВ и установлению объема образующихся полостей.