Показатели и свойства горных пород, ответственные за прочность и разрушение

Известно, что горные породы состоят из одного или нескольких минералов, а их зерна или кристаллы обладают анизотропными свойствами, и в целом агрегаты, состоящие из многих зерен, разбросанных хаотично, представляются более или менее изотропными.
Характерным структурным признаком многих минералов является спайность, — т.е. способность при ударе раскалываться с образованием относительно ровных площадок, граней, как правило, с блестящими поверхностями, что также подчеркивает их анизотропность. Наоборот, минералы, не имеющие спайности, являются аморфными и по своим свойствам близки к изотропным.
Горные породы представляют собой механические смеси минералов, причем, если даже отдельные минералы изотропны, то горная порода в целом — анизотропна. Горные породы, состоящие из одного минерала, как правило, анизотропны.
Свойства горных пород зависят от минерального состава и макростроения, то есть от структуры и текстуры. Структура - это совокупность признаков, описывающих степень связи между частицами породы, их размеры, форму и взаимное расположение.
Структура в основном определяется степенью зернистости и размером зерен и подразделяется на следующие виды:
• крупнозернистые с зернами более 5 мм,
• среднезернистые - 2-5 мм,
• мелкозернистые - 0,5-2 мм,
• скрытокристаллические — до 0,5 мм.
Для одной и той же породы, но состоящей из зерен различной крупности, с уменьшением их размера прочностные показатели возрастают, что связано не только с качеством кристалла, но и с межмолекулярными связями в агрегатах и между отдельными минералами.
Текстура горных пород - это сложение породы, то есть, каким образом отдельные зерна уложены в образце. По этому признаку текстуры могут быть: плотные, пористые, слоистые, рыхлые и т.п. Ясно, что эти визуальные характеристики, как и структурные, лишь в некоторой степени будут описывать отношение породы к нагрузкам. Наличие полос и слоев -явный признак анизотропии, и на их границах должны быть ослабления, т.е. они должны раскалываться по ним быстрее и легче. Например, сланцы или массивные граниты имеют явно разные способности к разрушению благодаря текстурным особенностям.
Структурно-текстурные признаки горных пород являются продуктом их генезиса. Как известно, по происхождению горные породы разделяются на магматические, метаморфические и осадочные. Магматические изверженные породы обладают плотной массивной текстурой при довольно разнообразных типах структур, зависящих от глубины образования породы. Метаморфические породы, образующиеся при наличии давления и температуры, отличаются либо плотной массивной, стекловатой либо слоистой, полосчатой текстурой. Осадочные породы химического происхождения кристаллические при массивной текстуре, а некоторые - с явной слоистостью и полосчатостью.
В составе всех горных пород кроме минерального составляющего, имеются вода, газы, инородные включения, что предопределяет множество физических эффектов и дефектов, способствующих разрушению.
Наличие в породах различных дислокаций и дефектов определяет их неднородность с позиций их разрушаемости, отвечающей существу расчленения твердого тела на части. В зависимости от масштабов проявления различные дефекты можно разделить на 5 уровней, начиная от более высоких к низким:
5. Дефекты кристаллических решеток минералов. Уровень их изучения - физика твердого тела.
4. Микротрещины, расчленяющие отдельные кристаллы и малые участки горной породы с размерами по длине от 0,01 до 10 см.
3. Макротрещины, видимые в обнажениях, с линейными размерами от 10 до 100 см.
2. Разломы, разбивающие массивы, входят в состав складчатых структур с размерами от 100 м до 10 км.
1. Крупные тектонические разрывы, разделяющие крупные участки недр.
Первые два уровня не вполне соответствуют понятию трещина, и точнее их можно характеризовать как зоны ослабления.
Для горно-технологической оценки большое значение имеет не протяженность дефекта, а степень раскрытия, т.е. расстояние между берегами трещин. Тогда их можно классифицировать тремя порядками:
I. Внутрикристаллические с величиной раскрытия 10в-9—10в-5 м.
II. Трещины между самими кристаллами с раскрытием до 0,1 мм.
III. Эндогенные трещины при остывании лавы и магмы, тектонические трещины скола и отрыва. Они развиваются на глубину. Эти трещины обусловливают образование блочности и оказывают влияние на взрывное разрушение.
Трещины 1-го и 2-го порядков определяют сопротивление
пород процессам бурения, дробления и измельчения, в том числе при работе выемочных комбайнов, многочерпаковых экскаваторов. Для процессов собственно горного дела существенное влияние оказывают трещины второго порядка.
В пределах физических процессов горного производства, когда на горные породы воздействует тот или иной фактор (инструмент, механизм, кроме взрывного воздействия, или проявление горного давления), их свойства называются горно-технологическими. Основное воздействие внешних полей на горные породы — это механические поле.
Все базовые физико-технические свойства и параметры горных пород, влияющие на прочность и разрушение, которых всего 12, можно подразделить на плотностные в виде объемной массы γ (кг/м3); и пористость n. К процессу разрушения эти параметры имеют различное отношение. Объемная масса оказывает опосредованное (непрямое) влияние, а пористость, в зависимости от величины и формы пор, имеет прямое отношение в виде концентрации напряжений и их разгрузки на микро-и макроуровнях.
Механические характеристики - прочность на сжатие и растяжение σсж, σр, модуль упругости E и коэффициент Пуассона μ. Все это прочностные характеристики напрямую влияют на механизм и процесс разрушения при любых его видах. Механические свойства оценивают необратимые превращения данного вида энергии в другой вид, в результате чего изменяется состояние породы, ее целостность.
Тепловые характеристики — теплоемкость С (ккал/кг), коэффициент линейного расширения α, коэффициент теплопроводности λ.
Электромагнитные характеристики - удельное сопротивление ρ, относительная диэлектрическая проницаемость ε и относительная магнитная проницаемость v. Эти параметры описывают процессы передачи энергии или перемещения жидкости и газов.
Все перечисленные физические параметры не зависят друг от друга, и посредством их можно вычислить большинство других.
Выделим горно-технологические показатели, среди которых имеются общие и частные. К общим относят: показатель трудности разрушения, коэффициент крепости по М.М. Протодьяконову, твердость, коэффициент абразивности, дробимость и коэффициент трения.
На частных показателях следует остановиться особо. Важнейшим показателем является взрываемость, выражающаяся через удельный расход BB, далее следует показатель трудности бурения, удельное усилие резанию, и экскавируемость.
Большинство из этих показателей в своей основе имеют прочностные параметры и, следовательно, имеют прямое отношение к процессу разрушения, отделения части горных пород от массива.
С позиций физики твердого тела любое воздействие на горные породы внешних сил вызывает ответную реакцию внутреннего сопротивления. Напряжения σ являются величиной векторной, при этом, как действие, так и противодействие может быть одноосным и трехосным, обеспечивающее объемную нагрузку. Переход к объемному напряжению сопровождается возникновением не только нормальных, но и касательных τ напряжений. Таким образом, возникает матрица состояния из 6 касательных и 3 нормальных напряжений, то есть симметричный тензор напряжений. Связь между σ и τ представляется в виде кругов Мора.
В соответствии с классической теорией упругости, напряжения всегда связаны с деформациями, результатом чего становится изменение линейных, объемных размеров горных пород или же формы образца.
Под действием нормальных напряжений возникают линейные деформации:

Совокупность линейных и сдвиговых деформаций представляет собой симметричный тензор деформаций - матрицу, состоящую из 6 сдвиговых и 3 линейных деформаций.
Увеличение нагрузок приводит к возрастанию деформаций, при достижении предела наступает разрушение, проявлением чего является потеря сплошности, сопровождаемая переходом от упругих к пластическим деформациям. Физически для твердых тел переход к пластическим деформациям означает изменение формы и размеров тел, когда большее количество кусков предпочтительно одному, причем после снятия нагрузки ни форма, ни размеры не восстанавливаются.
Механические свойства тесно связаны с обобщенными горнотехнологическими параметрами пород: крепостью, хрупкостью или пластичностью, твердостью, дробимостью и другими.
Крепость - это сопротивление технологическому разрушению, то есть сопротивляемость пород добыванию, и в первую очередь - отделению от образца в мезопроцессе, и сопротивление отделению от целого в микропроцессе, например, при измельчении. Это понятие введено М.М. Протодьяконовым через коэффициент крепости, пропорциональный пределу прочности породы на сжатие. Коэффициент крепости можно определить для достаточно большого диапазона σсж по соотношению:

Динамический коэффициент крепости можно получить экспериментальным путем методом толчения:

где n - число сбрасываний груза массой 2,4 кг с высоты 0,6 м на 5 кусков породы; l — столб мелкой фракции, диаметром меньше 0,5 мм.
Хрупкость и пластичность. С энергетической точки зрения пластичность требует больших затрат энергии на дробление и измельчение, чем хрупкость.
Технологическим показателем пластичности является отношение работы разрушения реального образца Ap при одноосном сжатии к удельной работе разрушения идеально упругой породы Ay (рис. 1.1). Если использовать диаграмму σсж -ε, то отношение площадей составит:

где E и Едеф - соответственно модуль упругости и модуль полной деформации, который может быть представлен как:


На рис. 1.1 с точки F начинается отклонение кривой от закона Гука.
Для оценки хрупкости Л.И. Бароном предложен коэффициент, как отношение работы Ay, затраченной на деформирование образца в чисто упругой области к полной работе разрушения Ар, т.е. как отношение площадей. Еще коэффициент хрупкости оценивается соотношениями:

Твердость пород определяет сопротивление внедрению в них острого инструмента и, следовательно, относится к процессу разрушения пород при бурении, резании исполнительными органами комбайнов, бульдозеров и т.п. Визуальное определение по шкале Mooca возможно, если порода мономинеральная, в случае же полиминеральных пород, вследствие их агрегатности, используют методы вдавливания штампов. Вдавливание производится постепенно с увеличением нагрузки, что позволяет установить статическую твердость; при вдавливании ударом, так определяется динамическая твердость.
Вязкость и дробимостъ. Технологический показатель разрушения пропорционален сопротивлению силам, стремящимся разъединить породу на части. Он зависит от пластических свойств породы с участием сдвиговых усилий. Различают вязкость при разрушении:

и вязкость при деформировании, связанную с коэффициентом внутреннего трения. Эти две вязкости не равноценны, так как при деформировании породы учитывается скорость деформирования:

где η - коэффициент внутреннего трения.
Дробимость выражает энергоемкость дробления породы при динамической нагрузке. Определяют ее при одиночном сбрасывании на образец груза массой 16 кг с высоты 0,5 м. Дробимость D оценивают по объему образованных при ударе частиц, диаметром менее 7 мм:

Абразивность — способность пород изнашивать при трении буровой инструмент, зубья ковша экскаватора, нож бульдозера и т.п. Определяют ее износом незакаленного стержня, торец которого в течение 10 минут прижимают с определенным усилием к вращающемуся образцу породы. По окончании вращения определяют массу износа. По методу Шрейнера вместо незакаленного стержня, к абразиву прижимают металлическое кольцо. Кольцо взвешивают до и после износа.

---