Основы механики горных пород. Общие сведения

При разведке месторождений полезных ископаемых горными выработками, а также при строительстве и эксплуатации шахт, рудников, карьеров, разрезов, тоннелей технологические процессы связаны прежде всего с разрушением, погрузкой и транспортированием горных пород, а также с обеспечением устойчивости подземных горных выработок и бортов карьеров.
Сведения о физико-механических свойствах необходимы для выбора способа бурения шпуров, породоразрушающего инструмента и буровых машин, конструкции вруба и заряда, параметров технологии, формы поперечного сечения выработок, ее размеров, типа крепи, выбора средств и способов погрузки породы и т. д.
При проведении буровзрывных работ огромное значение имеет правильный учет крепости пород, анизотропии, трещиноватости, напластования, угла падения, так как разрушение породы при взрыве всегда происходит по ослабленным плоскостям или по нормали падения пород. Свойства пород влияют также на выбор способа погрузки и транспортирования пород. Погрузка кусковатых сильноабразивных пород производится машинами ковшового типа непосредственно в вагонетки. Применение машин непрерывного действия и перегружателей ограничено тем, что эти механизмы при погрузке указанных пород имеют меньшую производительность по сравнению с машинами ковшового типа и быстро выходят из строя, ленты перегружателей быстро изнашиваются.
Свойства горных пород влияют на выбор режима и технико-экономические показатели работы проходческих бригад. В породах невысокой крепости, абразивности, вязкости можно достигнуть подвигания забоя за взрыв 2 м и более и выполнять 1,5—2 цикла в смену. Напротив, в породах крепких, абразивных, вязких таких показателей достигнуть не удается или для их достижения необходимо затрачивать большие трудовые, материальные и энергетические ресурсы.
Свойства горных пород различны и определяются комплексом геологических признаков (минералогическим составом, структурой, текстурой и другими факторами) и зависят от свойств основного минерального вещества, размера зерен, минерального цемента, пористости, трещиноватости и др.
По виду породообразующего материала и характеру связей между минеральными зернами горные породы подразделяют на твердые (скальные, полу скальные), связные и сыпучие.
К скальным относятся изверженные, метаморфические и осадочные породы, имеющие предел прочности на сжатие от 5∙10в7 до 3∙10в8 Па (граниты, андезиты, базальты, песчаники и т. п.). Они характеризуются наличием значительных молекулярных сил сцепления и трения между частицами, имеют обычно высокую твердость и относительно трудно разрушаются.
К полускальным относятся часть изверженных и метаморфических, а также большая часть осадочных пород со слабым сцеплением между частицами, имеющих предел прочности пород на сжатие от 2∙10в7 до 5∙10в7 Па (сланцы, мергели, крепкий каменный уголь и т. п.).
В скальных и части полускальных пород разведочные выработки зачастую проводят без крепления или с частичным креплением при пересечении участков сильнотрещиноватых и раздробленных пород.
Связные породы (типа глин) характеризуются значительными силами сцепления между частицами. Однако их свойства сильно изменяются в зависимости от влажности. От скальных пород они отличаются высокой пластичностью, небольшой абразивностью и малой прочностью.
Стенки канав, шурфов небольшой глубины в этих породах (если они не насыщены водой) обычно устойчивы, и крепление их не производится.
Связные породы в увлажненном состоянии ведут себя как типичные пластические тела, легко изменяя свою форму при деформации без разрыва связей между частицами, однако в сухом состоянии может иметь место и хрупкое разрушение.
Для сыпучих пород характерно отсутствие связей между зернами и обломками или же связи эти ничтожно малы. Механические свойства их определяются трением на поверхностях соприкосновения частиц.