Плотностные свойства горных пород

Горными породами называют агрегаты минералов, образующих самостоятельные геологические тела. К физическим параметрам плотностных свойств относят плотность, удельный вес и пористость (общая, открытая). При расчете параметров технологических процессов проведения подземных горных выработок, а также механических процессов, проходящих в массиве горных пород, большое значение уделяется плотности. Различают плотность породы в массиве (в естественном залегании), образце и разрыхленном состоянии.
Плотность горной породы определяется как масса (кг) единицы ее объема (м3) со всеми содержащимися в ее порах жидкостями и газами. В системе единиц СИ единицей плотности р является килограмм на кубический метр:

где m — масса агрегатных фаз породы, кг; V — объем, занимаемый этими фазами, м3. Плотность горных пород и мощность породного массива, определяющая глубину заложения подземной выработки от поверхности Земли, оказывают значительное влияние на напряженное состояние горных пород на поверхностях выработки и устойчивость обнажений.
Под весом горной породы понимают силу H, которая оказывает давление на горную крепь подземных выработок. Вес определяется через массу обрушившихся или отслоившихся над крепью пород:

где m — масса, кг; g — ускорение свободного падения, м/с2.
Подставляя в это уравнение значение массы из предыдущего уравнения, получим

где V — объем обрушившихся над выработкой пород, оказывающих давление на крепь, м3.
Под пористостью понимают суммарный относительный объем содержащихся в горной породе пустот. Обычно пористость выражают в процентах, относя объем пор Vп к полному объему породы V:

Коэффициент пористости Кп представляет собой отношение объема пор Vп к объему содержащегося в породе минерального вещества (твердой фазы) V0:

Общая пористость может быть рассчитана по плотности минера,льцого вещества (твердой фазы) и плотности породы:

где ρм — плотность минерального вещества, кг/м3.
Аналогично может быть рассчитан и коэффициент общей пористости:

В отличие от плотных разрыхленные горные породы характеризуются насыпной плотностью, коэффициентом разрыхления, гранулометрическим составом, углом естественного откоса, углом внутреннего трения и др.
Коэффициент разрыхления Кр равен отношению объема разрыхленной породы Vр к объему ее в массиве (целике):

Насыпная плотность ρн зависит от величины плотности породы в массиве ρ и коэффициента ее разрыхления Кр и определяется их отношением:

Коэффициент разрыхления и насыпная плотность зависят от гранулометрического состава рыхлой массы, формы и взаимного расположения кусков разрушенной (рыхлой) породы, продолжительности нахождения в рыхлом состоянии (степени самоуплотнения), давления (столба рыхлой массы), вместимости и формы сосудов (подъемных и транспортных), в которых размещается порода. Наименьшую разрыхленность при прочих равных условиях имеют песчаные и глинистые породы (Кр=1,15÷1,2), а наибольшую — скальные хрупкие (Кр=1,3÷1,8 и более). Плотностные свойства определяются в натурных условиях (плотность в массиве, насыпная плотность, коэффициент разрыхления, открытая пористость), лабораторным путем (плотность в образце, пористость) и расчетным (общая пористость, коэффициент общей пористости). Плотность пород в разрыхленном состоянии используется при расчете процессов уборки породы, транспортных и подъемных операций. При расчете параметров буровзрывных работ используется плотность ВВ в различных состояниях.