Механические свойства горных пород

Механические свойства горных пород являются разновидностью физических свойств. Они выражаются в способности горных пород оказывать сопротивление деформированию и разрушению под действием внешних сил. К ним относятся: прочность, абразивность, упругость, хрупкость, пластичность и др.
Прочностью горной породы называется способность ее сопротивляться внешним силам, стремящимся разрушить связь между зернами, слагающими эту породу. Она в значительной степени зависит от способа деформации. Поэтому различают прочность на сжатие, растяжение, изгиб и скалывание. Прочность пород также зависит от их минералогического состава, структуры, текстуры, пористости, характера связи между зернами, твердости частиц и степени выветривания. Мелкозернистые породы обладают большей прочностью, чем крупнозернистые. Прочность сцементированных пород зависит от рода цемента. Прочность глинистых пород падает с увеличением влажности.
С увеличением плотности прочность, как правило, возрастает. Небольшая прочность горных пород проявляется при сжатии. Она характеризуется отношением усилия, разрушающего образец (Рк, Н), к площади поперечного сечения образца (F, м2):

При всестороннем объемном сжатии (забой шпура, скважины) сопротивление пород увеличивается. Сопротивление горных пород сжатию изменяется в зависимости от направления действия сил по отношению к кристаллографическим осям, слоистости и сланцеватости пород. Так, у сланцевых пород прочность вдоль плоскости сланцеватости составляет 0,5—0,75 от прочности в направлении, перпендикулярном к этой плоскости.
Прочность при скалывании в 10—15 раз меньше прочности на сжатие, а прочность при растяжении в 1,5—2 раза меньше, чем прочность при скалывании.
Прочность наиболее распространенных пород на одноосное сжатие приведена в табл. 6.

Твердостью называется способность пород оказывать сопротивление проникновению в нее другого, более твердого тела и является частным случаем прочности при местном приложении разрушающих нагрузок. Это очень важное свойство горных пород, определяющее величину внедрения лезвия головки буров (резцов) и поэтому существенно влияющее на скорость бурения шпуров, скважин.
Различают агрегатную твердость, т. е. твердость породы в целом, и твердость отдельных минералов, из которых состоит порода. Агрегатная твердость зависит от твердости отдельных минеральных зерен, цементирующего вещества и плотности горной породы. Она в основном влияет на скорость разрушения породы при бурении шпуров. Твердость отдельных минералов влияет на износ резцов породоразрушающего инструмента и сказывается на интенсивности разрушения породы только во времени.
Твердость горных пород зависит также от способа приложения нагрузок, которые могут быть статическими и динамическими. Динамическая твердость почти в 10 раз меньше статической.
Твердость можно определять различными методами: царапаньем, затухающими колебаниями, вдавливанием штампа, истиранием, резанием, отскоком бойка и др.
Абразивностью называется способность горной породы изнашивать контактирующие с ней поверхности горных машин или горного оборудования в процессе их работы.
Абразивность пород зависит от твердости породообразующих минералов, характера сцепления зерен друг с другом, крупности и формы зерен, плотности пород и степени ее трещиноватости. Чем тверже и крупнее зерна минералов, чем острее их ребра, тем выше абразивность пород. Наибольшей абразивностью обладает порода с мягким цементом.
Абразивность горных пород имеет существенное влияние на технико-экономические показатели проведения горноразведочных выработок (выбор более или менее энергоемких и трудоемких средств бурения шпуров, погрузки породы, обмена вагонеток и пр.).