Основные свойства и классификация горных пород
Физико-механические свойства горных пород весьма разнообразны. Наиболее существенными из этих свойств, оказывающих влияние на эффективность разрушения горных пород и ведение горных работ, являются строение и сложение пород, слоистость, прочность, крепость, пористость, вязкость, упругость, твердость, пластичность, разрыхляемость и др.
Горные породы подразделяются на твердые, пластичные, сыпучие и плывучие. Твердые горные породы состоят из минеральных частиц, связанных между собой силами молекулярного сцепления и трения. Механическая характеристика горных пород выражается формулой
τ = С+φN,
где τ — касательные напряжения на площадке сдвига; С — сила сцепления между отдельными частицами; φ — коэффициент трения (φ = tgρ); ρ — угол внутреннего трения; N — нормальная сила.
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 ρ понимают массу ее в единице объема за вычетом объема пор, пустот и трещин. Плотность породы измеряют в кг/м3 (в производстве 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 ρо — 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 порода γ — вес единицы объема твердых частиц (минерального скелета) породы (Н/м3):
γ = gρ,
где g — ускорение свободного падения, м/с2.
Объемный вес породы γо — вес единицы объема породы в естественном состоянии γо (Н/м3):
γо = gρо.
Понятиями удельного веса и объемной массы 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 ρ, в кг/м3. Насыпная объемная масса
ρн = ρ/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 0,2–3,0%, 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.
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 105—110 °С. Она выражается в процентах. В природных условиях залегания влажность магматических пород не превышает 2%, каменных углей и вмещающих пород — 6%.
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 6%, мягких слабосцементированных осадочных пород — от 10 до 25% и более.
Под размокаемостъю 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 прочности породы под влиянием воды. Ее оценивают коэффициентом размягчаемости, представляющим собой отношение предела прочности породы при сжатии после насыщения ее водой и до насыщения.
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%, средненабухающие — 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 (σсж, σсд и σр).
Горные породы характеризуются различной величиной прочности на сжатие, растяжение, сдвиг и изгиб. Наибольшей прочностью обладают породы на сжатие, наименьшей — на растяжение. Прочность на изгиб и 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 (табл 2.1).
Показатели прочности пород на сжатие и растяжение имеют первостепенное значение для решения вопросов разрушения и отбойки их от массива в забое выработки, погрузки и транспортирования горной массы и нормирования горнопроходческих работ.
В среднем для горных пород указанные критерии прочности находятся примерно в соотношении σсж:σсд:σр = l,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 f, предложенным проф. М.М.Протодьяконовым.
Коэффициент крепости f равен отношению временного сопротивления одноосному сжатию к единице крепости. За единицу крепости принято временное сопротивление сжатию образцов кубической формы, равное 10 МПа. Следовательно, f = σсж/10.
| Горные породы | Предел прочности, МПа | |
| на сжатие | на растяжение | |
| Базальт | 260–400 | 22–30 |
| Гранит | 80–250 | 7–23 |
| Кварцит | 180–260 | 14–22 |
| Диабаз | 240–300 | 20–25 |
| Мрамор | 60–80 | 5–8 |
| Известняк | 46–75 | 4–8 |
| Песчаник | 30–200 | 4–18 |
| Алевролит | 30–120 | 3–16 |
| Аргиллит | 12–80 | 1–6 |
| Уголь каменный | 11–30 | 0,8–2,5 |
| Уголь бурый | 10–15 | 0,5–1,2 |
| Сланец горючий | 12–19 | 0,8–1,6 |
| Мергель | 25–40 | 2–3,5 |
| Каменная соль | 20–38 | 0,3–4 |
| Глина | 3–10 | 0,2–0,8 |
| Алевролит и аргиллит углистый | 5–25 | 0,3–2 |
По этому критерию М.М. Протодьяконов предложил классификацию, в которой горные породы разделены на 10 категорий (табл. 2.2). Пределы изменения коэффициента крепости от 0,3 до 20. К первой категории отнесены породы, имеющие наивысшую крепость (f = 20), к десятой — наиболее слабые плывучие породы (f = 0,3).
Существуют и другие классификации горных пород, учитывающие особенности ведения горных работ. Применительно к горностроительным работам предложена классификация пород по СНиП.
Абразивность — способность горных пород изнашивать контактирующие с ней поверхности режущего инструмента и деталей горных машин при работе. Абразивность пород оценивается средней потерей в массе (в миллиграммах) мерного цилиндрического стержня при истирании его в определенных условиях. По абразивности горные породы разделены на 8 классов.
| Таблица 2.2 — Классификация горных пород | |||
| Породы | Коэффициент крепости | Категория крепости породы по | |
| шкале проф. М.М.Протодьяконова | строительным нормам и правилам (СНиП) | ||
| Вязкие кварциты и базальты | I | XI | |
| Крепкий гранит, самые крепкие песчаники и известняки | II | X | |
| Очень крепкие песчаники и известняк | III | IX | |
| Колчедан, крепкий известняк | IIIа | VIII | |
| Обыкновенный песчаник, песчанистые сланцы | IV–IVa | VIII | |
| Крепкий глинистый сланец, некрепкий песчаник и известняк | 3–4 | V–Va | VI—VII |
| Антрацит, мягкий сланец, мягкий известняк, мел, каменная соль, гипс, мерзлый грунт, разрушенный песчаник | VI | VI | |
| Крепкий каменный уголь, разрушенный сланец, отвердевшая глина | 1,5 | VIa | VI—V |
| Каменный уголь средней крепости, прочные наносы, плотная глина | VII | III | |
| Мягкий уголь, мягкая песчаная глина | 0,8 | VIIa | II |
| Торф, влажный песок | 0,6 | VIII | I |
| Добытый уголь, песок, насыпной грунт, гравий | 0,5 | IX | I |
| Плывуны | 0,3 | X | I |
Твердость — свойство горной породы сопротивляться проникновению в нее горного 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 пластической деформации.
Разрыхляемостъ — увеличение объема породы при выемке ее из массива. Оценивается коэффициентом разрыхления:
Кр = Vв/Vм,
где Vв — объем вынутой породы; Vм — объем породы в массиве (в целике).
Коэффициент разрыхления характеризует увеличение объема породы при разрушении (в процессе проведения выработок, выемки полезного ископаемого). 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.