Основы Горного Производства. Калиниченко О. И., Зыбинский П. В., Хохуля А. В. Основы горного производства
 Скачать 18.24 Mb.
|
|
1 ОСНОВЫ МЕХАНИКИ И ВИДЫ РАЗРУШЕНИЯ ГОРНЫХ ПОРОД 1.1. Горные породы и их основные физико-механические свойства Объектами воздействия горных выработок (в том числе скважин) яв- ляются все виды горных пород: коренные, залегающие в толще земной коры по месту своего образования, и покрывающие их наносы – породы измель- ченные, переотложенные или перенесенные. Их свойства определяют выбор оборудования, характер и параметры технологического процесса горных и буровых работ. Термин горная порода предполагает минеральное образование, не яв- ляющееся объектом извлечения полезных компонентов при разработке ме- сторождений. В зависимости от состояния, характеристики горных пород могут отличаться друг от друга. Поэтому целесообразно выделить понятия породный массив и породный образец, а также степень связности горных пород в массиве. Породный массив – это геологическое тело интрузивного или осадоч- ного происхождения, в виде многокомпонентной среды, состоящей из твер- дой фазы (любые, как правило, трещиноватые породы с различными свой- ствами), а также жидких и газообразных включений, имеющих различный характер связи с твердыми составляющими массива. До проведения горных работ породный массив называется нетронутым массивом. Породный образец – это отобранные из массива представительный кусок породы или отрезок керна для экспериментального определения свойствгорной породы. По степени связности горные породы разделены на скальные, связ- ные, рыхлые (сыпучие) и плывучие. Скальные породы характеризуются наличием между минеральными частицами значительных сил сцепления, которые после разрушения не вос- станавливаются. Такие породы могут быть монолитными или трещинова- тыми. Стенки горных выработок (скважин), пройденных в монолитных скальных породах, устойчивы, в то время как в сильно трещиноватых поро- дах требуют закрепления. Связные породы (глины, суглинки, мел, бокситы и др.) отличаются тем, что силы сцепления между частицами этих пород обеспечиваются за счет пленочной, капиллярной и свободной воды и могут сильно изменяться в зависимости от степени увлажнения, характера цементирующего вещест- ва, фракционного состава и формы частиц. Эти породы дают большие оста- точные деформации без нарушения связности. В сухом и мерзлом состоя- нии связные породы по свойствам близки к скальным. Рыхлые (сыпучие) породы представляют собой скопление не связан- ных между собой частиц различной формы и размеров (песок, гравий, галь- 23 ка, валуны и др.). Стенки горной выработки (скважины) в этом случае неус- тойчивы, склонны к обвалам и требуют закрепления. Плывучие породы (плывуны) – это водонасыщенные песчано- глинистые породы. Отличительной особенностью данных пород является их способность расплываться; под влиянием горного давления они способны сохранять постоянный уровень в выработке или, например, подниматься на некоторую высоту по стволу скважины. Горные породы обладают тем большей прочностью, чем тверже ми- неральные зерна, чем крепче между ними связь, чем плотнее они связаны цементом и чем большей твердостью обладает цементирующий материал. Физико-механические свойства объединяют физические и механиче- ские свойства и параметры горных пород, влияющие на процесс их разру- шения. Физические свойства характеризуют физическое состояние пород. Механические свойства выражаются в способности горных пород оказывать сопротивление их разрушению. Известно более ста физико-механических свойств горных пород. При этом для решения инженерных горно-буровых задач можно выделить ми- нимально необходимое, но достаточное количество характеристик породы, определяющих в конечном итоге выбор технико-технологических условий процесса проведения выработок и бурения скважин. С точки зрения механического разрушения горных пород важнейши- ми показателями физических свойств пород являются плотность, объемный вес и пористость. Эти свойства в значительной степени определяют проч- ность горных пород и сопротивление их разрушению. Плотность – отношениемассы агрегатных фаз породы m к объему, занимаемому этими фазами V V m , кг/м 3 . Разрыхленные горные породы характеризуются насыпной плотно- стью ( н ) р К н , кг/м 3 , где р К - коэффициент разрыхления, который представляет собой от- ношение объема разрыхленной породы р V к объему ее в массиве V . При известном коэффициенте крепости пород f , физический смысл которого будет рассмотрен ниже, параметр р К может быть рассчитан по формуле 34 1 16 0 f Кр 24 Наименьшую разрыхляемость имеют песчанистые и глинистые породы 2 1 35 1 р К ; наибольшую – хрупкие породы 8 1 3 1 р К Объемный (удельный) вес – отношение веса агрегатных фаз поро- ды ( G ) к объему, занимаемому этими фазами V V G , Н/м 3 Пористость определяется совокупностью всех пустот в горной по- роде между минеральными зернами, образующими минеральный скелет по- роды и выражается в процентах, относя объем пор п V к полному объему породы V % 100 V п V П Пористость может характеризоваться также коэффициентом пористо- сти, равным отношению объема пор п V к объему твердой фазы (скелета) в данном объеме породы о V о V п V п К Общая пористость о П рассчитывается по значениям плотности ми- нерального вещества и плотности породы % 100 о П При этом коэффициент общей пористости устанавливается из соот- ношения п К Пористость ослабляет прочность горных пород. Осадочные породы обладают повышенной пористостью, например, для песков п К = 0,5 - 55, для известняков и доломитов п К = 0,4…0,45. С увеличением глубины залегания пористость пород уменьшается. В цикле проведения горных выработок и бурения скважин использу- ются достаточно ограниченный набор механических свойств и технологиче- ских параметров пород. К наиболее важным, определяющими способности горных пород сопротивляться разрушению, относятся такие признаки и ха- рактеристики, как: деформационные свойства; механическая прочность; крепость; твердость; абразивность; трещиноватость. 25 Деформационные свойства (упругость, хрупкость и пластичность) – свойства горных пород изменять свою форму под действием внешних на- грузок. Упругость – свойство породы изменять и восстанавливать свою фор- му и размеры после прекращения действия внешних сил. В твердом теле это свойство проявляется в виде упругих деформаций. Для общей оценки поведения пород при воздействии на них механи- ческих нагрузок служат показатели упругих свойств горных пород (модули упругости и сдвига, коэффициент Пуассона). Модули упругости определяют при испытании образцов горных по- род на сжатие, растяжение, изгиб и сдвиг. В общем случае модуль продольной упругости Е (модуль Юнга) оп- ределяется при испытании образцов на сжатие или растяжение и представ- ляет собой отношение действующего нормально к плоскости напряжения н к относительной линейной деформации образца L в направлении действия приложенной нагрузки L н E , Па, где L L L ; L - абсолютная деформация; L - база, на которой из- мерена деформация L Величину модуля сдвига при испытании горных пород на кручение вычисляется по формуле сд u l K G max где u K коэффициент, зависящий от соотношения размеров образца и длины той его части, которая подвергается кручению; max - величина ин- тервала приращения касательных напряжений при испытаниях; сд l - соот- ветствующая величина закручивания. Коэффициент относительной поперечной деформации (коэффици- ент Пуассона), - устанавливает отношение между поперечной и продольной относительными деформациями, соответственно , d и L . L d Для большинства горных пород 35 0 15 0 (табл. 1.1). Модули Юнга, сдвига и коэффициент Пуассона связаны между собой соотношением ) 1 ( 2 E G 26 Таблица 1.1. Значения коэффициента Пуассона для различных пород Горная порода Значение Горная порода Значение Сланцы глинистые 0,10 – 0,20 Известняки 0,28 – 0,33 Глины плотные 0,25 – 0,35 Песчаники 0,30 – 0,35 Граниты 0,26 – 0,29 Каменная соль 0,44 Хрупкость – свойство горной породы разрушаться без заметной пла- стической деформации под действием внешних сил. Свойство характеризу- ется коэффициентом хрупкости хр К , представляющим собой отношение работы упругой деформации породы уп А к общей работе об А , затрачивае- мой на деформацию и разрушение пород под пуансоном об уп хр А А К . Для упруго-хрупких пород 1 хр К ; для упруго-пластичных пород 1 хр К ; для идеально пластичных пород 0 хр К Пластичность - свойство горной породы необратимо деформиро- ваться без микроскопических нарушений сплошности под действием меха- нической нагрузки. Наиболее пластичные горные породы: глины, графит, каменная соль. С ростом температуры и давления пластичность пород уве- личивается. Так, под давлением 1-2 МПа, гранит, и диабаз становятся пла- стичными. Наиболее часто пластические свойства пород характеризуются услов- ным коэффициентом пластичности пл К , который вычисляется как отноше- ние общей работы деформирования породы при вдавливании штампа на глубину, равную его диаметру ( об А ), к работе затрачиваемой на упругое деформирование породы тем же штампом ( у А ), - у об пл А А К По величине пл К все породы разделены на шесть категорий (табл. 1.2). Условный коэффициент пластичности пород, не дающих хрупкого раз- рушения принимается равным бесконечности. Таблица 1.2. Значения пл К для разных категорий пород Категория 1* 2** 3** 4** 5** 6*** пл К 1 >1…2 >2…3 >3…4 >4…6 >6…8 * - Преимущественно хрупкие, изверженные и метаморфические по- роды (кремни, кварциты, окремнелые разновидности известняков и доло- митов). 27 ** - Преимущественно пластично-хрупкие породы (алевролиты, из- вестняки, ангидриты, доломиты и песчаники). *** Высокопластичные и сильнопористые породы (глины, аргиллиты и наиболее пористые разновидности алевролитов, песчаников и известня- ков). Упруго-хрупкие породы ( пл К =1) наиболее целесообразно разрушать путем ударного воздействия и раздавливания. Для разрушения пластично- хрупких пород (1< пл К <6) допустимо режуще и режуще-скалывающее воз- действие. Разрушение пластичных пород ( пл К >6) наиболее эффективно обеспечивается резанием. Механическая прочность пород представляет собой способность со- противляться разрушению под действием внешних нагрузок сжатия, растя- жения, скалывания (сдвига) и изгиба. Чем выше предел прочности горной породы, тем больше энергии расходуется на ее разрушение. Прочность на одноосное сжатие ( сж ) – это предельное напряже- ние, при котором образец горной породы начинает разрушаться. Это свой- ство горной породы существенно зависит от минералогического и петро- графического состава породы. F Р сж , Па. где P – вертикальная нагрузка, при которой происходит разрушение образца породы, Н; F - площадь сечения образца, м 2 Значения сж длянекоторых пород приведены в табл. 1.3. Таблица 1.3. Пределы прочности пород на сжатие Горная порода сж , МПа Весьма крепкие и вязкие кварциты 295…490 Весьма крепкие и плотные базальты и мелкозернистые граниты 235…240 Очень крепкие граниты, диабазы, диориты 215…220 Базальты, порфиры, амфиболиты, граниты 195…200 Гнейсы, сиениты, порфириты 175…180 Песчаники, известняки, крепкие магнетиты, сланцы 120…140 Мраморы, доломиты, известняки, сидериты 98…100 Известняки, песчаники 78…80 Гипс 50 Песчаные сланцы 40 Каменная соль, каменный уголь 20…40 28 В горном деле, для практических расчетов предела прочности пород на растяжение используется зависимость сж р 1 , 0 Для получения прочностных характеристик массива горной породы через прочность образцов в расчеты вводится коэффициент структурного ослабления 9 , 0 2 , 0 с К (отношение прочности пород в массиве к прочно- сти в куске). Коэффициент с К функционально зависит от отношения ли- нейного размера рассматриваемой области массива В (например, ширины или высоты выработки), к среднему размеру структурного блока-куска b (рис. 1.1). Для 14 в В , - 2 0 с К Уменьшение прочности массива пород в результате увеличения дли- тельности воздействия нагрузки учи- тывается коэффициентом длительной прочности . Он равен отношению предела прочности при стационарных испытаниях к пределу прочности при длительном воздействии нагрузки. Значение коэффициента рекомен- дуется принимать: для пород с хруп- ким характером разрушения (граниты, кварциты, песчаники с кварцевым цементом и т.п.) = 1…0,7, а для пород, испытавших пластические деформации перед разрушением (песчанистые, углистые сланцы, известняки средней крепости и т.п.), =0,5…0,7. С учетом отмеченного пределы прочности массива пород на сжатие сж R и растяжение р R устанавливаются зависимостями с сж сж К R , Па; с р р К R , Па. Прочность на скалывание (сдвиг) определяется методом односторон- него среза. Аналитическая зависимость для определения прочности пород на скалывание аналогична определению сж . При этом сж ск 1 , 0 06 , 0 . Поэтому желательно, чтобы породоразрушающий ин- струмент производил в основном скалывание породы. Такие свойства как крепость, твердость, абразивность, буримость; угол естественного откоса, коэффициент и угол внутреннего трения ус- ловно можно отнести к горно-технологическим параметрам. Они устанав- ливаются эмпирическим путем и характеризуют поведение пород при воз- действии на них инструментом, рабочим органом горных машин или техно- логией ведения горных работ. Крепость – способность горной породы сопротивляться разруше- нию от действия внешних сил. Наибольшее распространение получил спо- соб определения крепости горной породы по временному сопротивлению на Рис. 1.1. Графическая оценка с К 29 раздавливание. Крепость характеризуется коэффициентом крепости, уста- новленным проф. М.М. Протодьяконовым 7 10 сж f , приближенно харак- теризующим относительную сопротивляемость пород разрушению. Твердость – способность горной породы оказывать сопротивление проникновению в нее другого, более твердого тела (местное приложение нагрузки). Твердость влияет на механическую скорость бурения скважин и шпуров. Абразивность - способность горной породы изнашивать породораз- рушающий инструмент или контактирующие с породой рабочие органы по- грузочно-транспортных горных машин, и т.п. Количественная характери- стика абразивности пород необходима для создания и совершенствования конструкций и материала породоразрушающего инструмента для работы в различных горно-геологических условиях, проектирования оптимальных параметров режима разрушения пород, а также для установления рацио- нальных областей применения различных резцов горных машин, коронок и долот. Определение абразивности сводится к установлению интенсивности воздействия породы на материал инструмента при трении между ними. Один из методов определения относительной абразивности заключа- ется в оценке степени износа эталонных стержней диаметром 8 мм, которые истираются при контакте с породой под нагрузкой 150 Н и скорости враще- ния 400 об/мин. Износ стержней при этом, выраженный через потерю массы стержня в мг, принимается за показатель абразивности ( a ). Величина a изменяется от 5 мг для малоабразивных пород (извест- няки, мрамор, каменная соль, глинистые сланцы и др.) до 90 мг и более (ко- рундосодержащие кварцевые породы). Буримость породы – это степень трудностиразрушения тех или иных горных пород. Исходя из этого, различают породы труднобуримые и легко буримые. В некоторых случаях буримость определяют, как способность по- роды разрушаться на забое под действием внешних сил, приложенных к по- родоразрушающему инструменту. Угол естественного откоса – угол между горизонтальной плос- костью и образующей конуса, форму которого приобретает сыпучая порода в естественном состоянии. Среднее значение для сыпучих пород о 30 28 Коэффициент ( T f ) и угол внутреннего трения ( ). В отличие от внешнего трения, под которым понимают сопротивление взаимному пере- мещению контактирующих тел, внутреннее трение – это сопротивление, возникающее при относительном перемещении отдельных частей в самом теле при его деформировании. 30 По аналогии с внешним трением, под коэффициентом внутреннего трения понимают отношение силы трения T F к величине нормальной на- грузки н P tg н P F f T T ; T arctgf Коэффициент трения может быть найден по значениям прочности об- разцов на одноосное сжатие сж и растяжение ( р ). сж р р сж tg , или 1 1 f f tg Обе формулы дают близкие результаты при 9 f . Левая формула пригодна для пород, у которых 2 f Весьма существенное значение для обоснования технологии горных работ в процессе разведки и разработки имеют такие характеристики по- родных массивов, как трещиноватость, проницаемость и устойчивость. Трещиноватость – нарушение монолитности породного массива в виде совокупности трещин разных размеров и направлений, обычно сообщаю- щихся между собой. Группа трещиноватости пород характеризуется коли- чеством и размерами трещин и в общем случае связана с коэффициентом структурного ослабления с К (табл. 1.4). Таблица 1.4. Характеристика пород по трещиноватости. Группа (сте- пень трещино- ватости) Характер трещиноватости Размер блока ( b ), м с К I (сильнотре- щиноватые) С глубокими хорошо видимыми трещинами, располагающимися на расстоянии 10-30 см 0.2 – 0.4 0.2 II (трещинова- тые) С видимыми неглубоким трещи- нами, располагающимися в мас- сиве на расстоянии до 50 см 0.3 – 0.7 0.2 – 0.9 III (не трещино- ватые) Без видимых вооруженным глазом трещин 1.0 0.9 – 1.0 Проницаемость (мера фильтрационной проводимости трещиновато- пористых пород) – способность горной породы пропускать через себя жид- кость, газ и газожидкостную смесь при наличии гидростатических давле- ний. Большинство осадочных пород, за исключением глин, аргиллитов и каменной соли - проницаемы. В зависимости от коэффициента проницаемо- сти ( пр К ) горные породы подразделяются на 6 групп (табл. 1.5): 31 Таблица 1.5. Группы пород по проницаемости. Группа пород пр К Водоприток, м 3 /ч I – очень проницаемые пр К > 1мкм 2 Более 35 II – хорошо проницаемые пр К = 1-0,1 мкм 2 3,5 - 35 III – средне проницаемые пр К = 0,1-0,01 мкм 2 0,35 – 3,5 IV –проницаемые пр К = 0,01-0,001 мкм 2 0,04 – 0,35 V – весьма слабопрони- цаемые пр К = 0,001-0,0001 мкм 2 Практически сухие VI - практически непро- ницаемые пр К < 0,0001 мкм 2 Безводные Устойчивость (табл. 1.6), характеризует способность пород не об- рушаться при обнажении снизу или с боков, и имеет большое влияние на выбор средств поддержания выработок. Устойчивость пород зависит от их прочностных показателей, трещиноватости и в некоторых случаях – водо- проницаемости. Количественные характеристики устойчивости пород принимаются различными не только в отраслях горнорудной промышленности, но даже в отдельных бассейнах. Таблица 1.6. Группы пород по устойчивости Группа устойчи- вости Характеристика устойчивости 1 – весьма неус- тойчивые Плывуны, сыпучие и рыхлые породы, не допускающие обнажений и требующие незамедлительного или опе- режающего возведения крепи 2 – неустойчивые Допускающие на короткое время небольшое обнаже- ние кровли (до 10 м 2 ) и требующие прочного крепления вслед за выемкой 3 – средней ус- тойчивости Допускающие на непродолжительное время обнаже- ние кровли на значительной площади (до 200 м 2 ) и требующие прочного крепления при длительном об- нажении 4 - устойчивые Допускающие на сравнительно продолжительное вре- мя обнажение кровли на значительной площади (до 500 м 2 ) и требующие лишь частичного крепления (в местах разломов, трещин) 5 – весьма устой- чивые Допускающие обнажение кровли на значительной пло- щади (до 1000 м 2 ) и длительное время могут стоять без поддержки |