Электромонтаж Ремонт и отделка Укладка напольных покрытий, теплые полы Тепловодоснабжение

Горные породы как объекты разработки

30.10.2018

При разработке месторождений строительных горных пород для выбора наиболее производительных структур комплексной механизации необходимо знать свойства пород в естественном состоянии (свойствами называют способность материалов определенным образом реагировать на воздействие отдельных или совокупных внешних или внутренних силовых усадочных, тепловых и других факторов; обычно выделяют четыре группы свойств: механические, физические, химические и технологические),

К числу наиболее важных свойств горных пород в массиве относятся твердость, вязкость, упругость, крепость, устойчивость и др.

Твердость выражает способность породы сопротивляться проникновению в нее более твердых тел, например, при вдавливании стального шарика или конуса, царапании резцом, ударах молотка и др. Эти условные испытания дают значения твердости либо только качественные, например, по следу царапания, либо количественные — по глубине отпечатка с учетом приложенной нагрузки. Нередко от полученного значения твердости стремятся перейти к величине прочности, хотя устанавливаемые соотношения между твердостью и прочностью тем менее точные, чем пластичнее материал. Только у хрупких пород царапание можно более или менее надежно сравнивать с прочностью, так как то и другое свойство обусловлено сцеплениями между микрочастицами породы.

Ф. Mooc (1773—1839) предложил метод определения твердости минерала путем царапания его минералами-эталонами. Эталонами твердости в минералогии приняты десять минералов, расположенных в порядке возрастания твердости и образующих шкалу твердости (шкалу Мооса), по которой можно определять относительную твердость испытываемого минерала. В шкале твердости каждый предыдущий минерал чертится минералом последующим, более твердым. Твердость минералов с известным приближением можно определять, пользуясь карандашом (твердость 1), ногтем (твердость 2,5), бронзовой монетой (твердость 3), железным гвоздем (твердость 4), стеклом (твердость 5), острием стального ножа (твердость 6), острием напильника (твердость 7).

Точное определение твердости пород производят на специальных приборах марки ПМТ-3 — склерометрах, с помощью специального алмазного или металлического острия. Твердость, определенная таким прибором, выражается в кг/мм3, т.е. объемом породы (в мм3), выдавливаемым острием, передающим определенное давление.

В табл. 2.1 приведены значения относительной твердости минералов по шкале твердости Mooca и абсолютной твердости.

Вязкость или ударная вязкость является мерой сопротивления породы удару и равна отношению работы, расходуемой для ударного излома образца, к его поперечному сечению в месте надреза:

где А — работа излома в джоулях (Дж); S — площадь поперечного сечения образца в месте надреза в м2; ан — ударная вязкость в джоулях на квадратный метр (Дж/м2) или в ньютонах на метр (Н/м), что одно и то же.

Упругость есть свойство материала деформироваться под нагрузкой и принимать после снятия нагрузки первоначальную форму. В упругой области деформаций действует закон Гука: о = Е*е, где о — напряжение, МПа; е — относительная упругая деформация; E — модуль упругости материала, МПа. Если относительная деформация е, выражающая отношение прироста деформации Al к первоначальной длине образца l, т.е. Al/l, окажется равной единице e = 1, то E = о. Следовательно, отсюда становится понятным физический смысл модуля упругости. Это напряжение, которое требовалось приложить к материалу, чтобы вызвать относительную деформацию e = 1, т.е. Al = l, или удвоить упругую деформацию. Модуль продольной упругости или модуль Юнга равен отношению механического напряжения к соответствующей линейной деформации в пределах начального (упругого) участка растяжения:

где o — механическое напряжеиие (предел пропорциональности; предел упругости) в Н/м2, e — линейная деформация (относительное удлинение)— безразмерная величина; l — начальная длина образца в м; Al — абсолютное удлинение расчетной части образца в м; F — нагрузка в Н; S — площадь поперечного сечения образца перед испытанием в м2; E — модуль продольной упругости в Н/м2 [назван модулем Юнга в честь английского ученого Т. Юнга].

Твердость, вязкость и упругость характеризуют степень сопротивления породы проникновению в нее острия инструмента, отделению от массива кусков породы и удару. Твердые и вязкие породы требуют при разработке больших механических усилий и количества взрывчатого вещества, чем мягкие и хрупкие породы.

Пластичность — свойство материала изменять свою форму под нагрузкой без появления трещин (без нарушения сплошности) и сохранять эту форму после снятия нагрузки. Все материалы делятся на пластичные (например, глиняное тесто) и хрупкие (каменные материалы). Хрупкие материалы разрушаются внезапно, без значительной деформации. Они хорошо сопротивляются только сжатию и плохо — растяжению и сдвигу.

Крепость — это сопротивляемость породы бурению, взрыванию и отбойке. Крепость пород можно характеризовать и их добываемостью, т.е. сопротивлением, оказываемым породой при отделении части ее от массива.

Свойства горных пород изменяются в очень большом диапазоне. Трудно найти на разных участках месторождений хотя бы две одинаковые по минералогическому составу породы с одинаковыми свойствами. Поэтому принято их объединять в виды, группы, категории и классы с определенным диапазоном свойств. Наибольшее распространение во всех отраслях горной промышленности получила классификация горных пород по крепости, предложенная проф. М.М. Протодьяконовым (табл. 2.2), в основу которой положен коэффициент крепости f, показывающий во сколько раз крепость данной породы при сжатии больше или меньше крепости условной породы с прочностью при сжатии 100 кгс/см2 (10 Мпа), т.е. f = oсж/100 (где осж — прочность породы при сжатии).

Прочность — это свойство материала сопротивляться разрушениям под действием напряжений, возникающих от нагрузок, влияния температуры, атмосферных осадков и других факторов. Строительные материалы из строительных горных пород, подвергаясь различным нагрузкам, испытывают напряжение сжатия, растяжения, изгиба, среза и удара. Чаще всего они работают на сжатие или растяжение. Горные породы хорошо сопротивляются сжатию, слабее — растяжению. На растяжение они выдерживают нагрузку в 10—15 раз меньшую, чем на сжатие. Поэтому указанные материалы следует применять главным образом в строительных конструкциях, работающих на сжатие.

Внутреннее растяжение от центрального сжатия или растяжения, возникающее в горной породе под действием нагрузки, по величине равно силе, приходящейся на 1 см2 поперечного сечения материала. Напряжение о, (Мпа) центрального сжатия или растяжения определяется посредством деления силы P на первоначальную площадь поперечного сечения F, т.е.

Пределом прочности опп, (Мпа) называют напряжение, соответствующее нагрузке, вызвавшей разрушение образца материала. Предел прочности равен разрушающей силе, приходящейся на 1 см2 первоначального сечения материала: oпп = РРазр/F.

Предел прочности материала определяется опытным путем.

Устойчивость — это способность породы не обрушаться при большей или меньшей площади обнажения ее в массиве.

По степени устойчивости горные породы разделяют на слабые (плывуны, сыпучие пески), устойчивые (глины, суглинки) и весьма устойчивые (полускальные и скальные породы). Устойчивость пород характеризуется углом естественного откоса.

Устойчивость откосов уступов является основным условием безопасного ведения горных работ на карьерах. Обрушения и оползни откосов уступов приводят к нарушению всего технологического процесса. Деформации откосов уступов могут быть вызваны несоответствием угла откоса уступа углу естественного откоса разрабатываемых пород. Величиной устойчивого а и рабочего в углов откоса определяются размеры неустойчивой части уступа, которая называется призмой обрушения (рис. 2.1). Ширина основания призмы обрушения Z (в м) зависит от рабочего и устойчивого углов откоса, от высоты уступа h и определяется по выражению: Z = h(ctga - ctgв).

В зоне призмы обрушения запрещается располагать какое-либо оборудование.

Для устойчивости откосов уступов и бортов карьера большое значение имеет расположение напластований пород и трещин в них. Обычно разработку уступов стремятся вести таким образом, чтобы плоскости напластований пород и трещины были направлены в сторону разрабатываемого массива, а не в направлении выработанного пространства карьера.

При разработке месторождений большое значение имеет трещиноватость породы, которая характеризуется числом трещин на данном участке и расстояниями между трещинами. Обычно выделяют трещины четырех систем: продольные S, поперечные Q, диагональные D и пологие L, разделяющие породу на горизонтальные или слабо наклонные пласты. Зная характер и направление трещиноватости разрабатываемого массива, возможно наиболее рационально выполнять производственные процессы на карьерах, так как сеть трещин разделяет горные породы на структурные отдельности (блоки) разных форм и размеров. Одним из показателей, характеризующих трещиноватость пород, является удельная линейная трещиноватость, определяемая по выражению:

где n — общее число трещин; l — длина участка.

В табл. 2.3 приведена временная классификация пород по трещиноватости, разработанная Междуведомственной комиссией по взрывному делу. Основными классификационными признаками для всех пород (кроме слоистых) являются удельная трещиноватость (число трещин на 1 м длины монолита породы), среднее расстояние между трещинами и содержание крупных отдельностей. Для слоистых пород основным классификационным признаком является содержание в массиве отдельностей размером 300, 700 и 1000 мм, оцениваемое мощностью и числом слоев на данном участке уступа.

Для выбора рациональной системы разработки месторождения, обеспечения требуемых кондиций горной массы важным является знание прочности и характера неоднородности строительных горных пород.

Академиком В.В. Ржевским все горные породы разделены на три вида:

• скальные и полускальные породы (в естественном состоянии);

• разрушенные породы (искусственно или естественно измененные породы первого вида);

• плотные, мягкие (связные) и сыпучие горные породы.

Виды пород предопределяют способы их разработки и применяемые для этого механические средства.

К скальным породам относится большинство изверженных и метаморфических, а также часть осадочных пород с пределом прочности 50—350 Мпа при одноосном сжатии в куске, насыщенном водой до 3—5 %. К ним относятся граниты, базальты, габбро, прочные известняки, мраморы, песчаники и др.

К полускальным породам относятся выветрелые изверженные, метаморфические и осадочные породы с пределом прочности 20—50 Мпа при одноосном сжатии в куске, насыщенном водой до 12 %. К ним относятся конгломерат, гипс, известняк-ракушечник, менее прочные известняки и др.

Для скальных и полускальных пород характерна естественная трещиноватость. Разрушенные и раздробленные породы являются результатом воздействия взрыва, механического разрушения, а также природных сил, вызывающих обрушение, выветривание и др. Разрушенные породы характеризуются степенью связности и кусковатостью. Степень связности зависит от степени разрыхления разрушенных пород, их кусковатости.

Из физики твердого тела известно, что между ионами в кристаллической решетке любого вещества существуют силы взаимного притяжения и силы взаимного отталкивания. Именно благодаря этому при воздействии на породу внешних сил, стремящихся сдвинуть с нейтрального положения ионы в решетке вещества в одну или другую сторону, в породе возникают внутренние силы, противодействующие внешним. Поверхностная плотность внутренних сил называется напряжением, которое в системе СИ выражается в паскалях [1Па = 1 Н/м2 = 1 кг/(м*с2)].

Напряжения, направленные перпендикулярно к рассматриваемой площадке S, являются нормальными (он); напряжения, возникающие вдоль площадки 5, называются касательными (т).

Согласно теории прочности Мора по площадке сдвига должны действовать касательные т и нормальные он напряжения, связанные между собой уравнением

где С — предел прочности породы при срезе в условиях отсутствия нормальных напряжений, называемый сцеплением породы; ф — угол внутреннего трения; tgф — коэффициент внутреннего трения или коэффициент пропорциональности между приращениями нормальных и касательных разрушающих напряжений.

Зная предел прочности породы при сжатии осж и растяжении ор, можно вычислить величины С и ф по следующим выражениям:

Обычно с увеличением отношения осж/ор возрастают С и угол ф.

Разрыхление характеризует увеличение объема разрушенной породы по сравнению с объемом, занимаемым в массиве, и определяется коэффициентом разрыхления. Значения коэффициента разрыхления различны для разных пород и зависят от их плотности, структуры и др. Для одной и той же породы коэффициент разрыхления зависит от способа разрушения, ее фракционного состава, времени пребывания в разрыхленном состоянии (разрыхленная порода способна давать усадку). Значения коэффициентов разрыхления пород приведены в табл. 2.4.

К плотным, мягким и сыпучим породам относятся связные породы, мягкие связные породы, разрыхленные мягкие (связные) породы, разнородные породы, мерзлые мягкие и сыпучие породы.

Плотные связные породы имеют предел прочности 5—20 МПа при одноосном сжатии в образце и способны в массиве сохранять угол откоса до 60—70° при высоте уступа 10—20 м. Разработка таких пород без предварительного рыхления возможна горными машинами с повышенным усилием резания. Такие породы имеют угол внутреннего трения 16—35°, сцепление 0,5—4 МПа.

Мягкие связные породы имеют предел прочности 1—5 МПа при одноосном сжатии в образце, угол внутреннего трения 14—23°, сцепление 0,05—1 МПа, Такие породы легко разрабатываются всеми видами выемочных машин без Предварительного рыхления и способны сохранять угол откоса до 50—60° при высоте уступов до 7—15 м. Неуплотненные глинистые породы (связные) имеют предел прочности до 1 МПа, угол внутреннего трения — до 10°, сцепление — до 0,05 МПа. Такие породы часто тиксотропны, характеризуются высокой влажностью, сжимаемостью и размываемостью. Значительная часть содержащейся в породах воды является капиллярной, поэтому водоотдача незначительна, что затрудняет осушение таких пород.

Разрыхленные мягкие (связные) породы теряют естественное сцепление и увеличиваются в объеме на 15—30 %. В насыпях они могут уплотняться в зависимости от влажности и высоты насыпи. Разрыхленные мягкие породы в различных частях насыпи и в разное время имеют непостоянные показатели трения и сцепления.

Пески являются сыпучими породами. Угол откоса песчаных уступов и насыпей не должен превышать угла внутреннего трения. Силы сцепления между окатанными частицами практически отсутствуют, поэтому усилие копания в песках минимальное.

Разнородные породы наиболее характерны для песчаногравийных месторождений, где наряду с мягкими и сыпучими породами встречаются скальные в виде гравия, валунов, конгломерата и др.

Академиком В.В. Ржевским предложена общая оценка сопротивления горных пород разрушению, которая оценивается следующими положениями.

1. Разрушение происходит под действием внешних (реже внутренних) сил в результате возникновения в определенных объемах породы напряжений при сжатии, сдвиге и растяжении, превышающих соответствующие пределы прочности осж, осдв, ораст.

2. Суммарное действие сил разрушения при различных напряжениях при сжатии, сдвиге и растяжении может быть оценено предельным сопротивлением породы разрушению (МПа):

Значения коэффициентов K1, К2, и К3 показывают долю участия соответствующих напряжений при разрушении; они неодинаковы для различных процессов разрушения. Для общей относительной оценки сопротивления пород разрушению (трудности разрушения) может быть принято условие равной доли участия разрушающих напряжений (пределов прочности):

3. Предельное сопротивление разрушению породы в массиве зависит от его трещиноватости (третьего порядка), а также плотности породы у:

где Kв и l — соответственно степень влияния и путь преодоления сопротивления от веса породы.

Общую относительную оценку сопротивления породы разрушению можно выполнить по эмпирическому выражению

где осж, осдв, оpacт выражены в МПа; у — в кг/м3; Ктр — коэффициент, учитывающий трещиноватость пород (колеблется в пределах 0,6—0,98; 0,5—0,9; 0,1—0,5; 0,01—0,1 соответственно для монолитных, малотрещиноватых, среднетрещиноватых, сильнотрещиноватых и чрезвычайно трещиноватых пород); g — ускорение свободного падения, м/с2.

Для практических расчетов удобнее пользоваться общим показателем трудности разрушения породы

Пределы прочности горных пород при сжатии изменяются в диапазоне от 0,1 до 450 МПа, при сдвиге — от 0,01 до 75 МПа, при растяжении — от 0 до 43 МПа, а плотность пород — от 1200 до 4800 кг/м3.

Все породы по относительной трудности разрушения акад В.В. Ржевским разделены на пять классов:

I класс — мягкие, плотные и связные полускальные породы (Пp = 1-5-5); категории пород: 1, 2,3,4, 5;

II класс — легкоразрушаемые скальные породы (Пр = 5,1-10); категории пород: 6, 7, 8, 9, 10;

III класс — скальные породы средней трудности разрушения (Пр = 10,1-15); категории пород: 11, 12, 13, 14, 15;

IV класс — трудноразрушаемые скальные породы (Пр = 15,1-20); категории пород; 16, 17, 18, 19, 20;

V класс — весьма трудноразрушаемые скальные породы (Пр = 20,1-25); категории пород: 21, 22,23, 24, 25.

Редко встречающиеся породы с Пр > 25 относятся к внекатегорным.

Общий показатель трудности разрушения породы Пр определяет относительное сопротивление горных пород при воздействии внешних усилий и предназначен для общей технической оценки горкой породы как объекта разработки.
Имя:*
E-Mail:
Комментарий: