Лекции Физика горных пород 2021. Конспект лекций по дисциплине Физика горных пород
 Скачать 0.52 Mb.
|
Лекция №14Тема: ГОРНОТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПОРОДПлан лекции (с.178-200/1/): Горные породы как объект разработки. Скальные и полускальные породы. Плотные, мягкие и сыпучие породы. Разрушенные породы Классификация горнотехнологичских параметров пород Горные породы как объект разработки. Объектами горных разработок являются все виды горных пород: коренные ( магматические, метаморфические и осадочные ), залегающие в толще земной коры по месту своего образования, и покрывающие их наносы – породы измельченные, переотложенные или перенесенные. При разработке породы подвергаются различного рода воздействиям, главным образом механическим: ударам, сдвигу, уплотнению, перемещению, в результате чего изменяется их состояние. В общем случае различают естественное или искусственное ( взрывом, механическим разрушением, водопонижением, химическим укреплением и т.п. ) изменение состояния горных пород. Свойства горных пород изменяются в очень большом диапазоне, что предопределяет как различные способы разработки, так и тип используемых при этом технических средств. По технологическим соображения в известное подразделение пород по силам связей на твердые, связные, рыхлые вводят дополнительные группы пород в зависимости от их строения. Так, твердые породы подразделяют на скальные и полускальные, связные – на плотные и мягкие, рыхлые – на сыпучие и разрушенные. Скальные и полускальные породы. К скальным относят большую часть изверженных и метаморфических пород и некоторые породы осадочного происхождения. Они распространены на месторождениях рудных, по добыче строительного камня и реже на каменноугольных. Предел прочности при одноосном сжатии скальных пород в насыщенном водой состоянии (w =3÷5 %) cоставляет от 5-*107 до 3,5 *108 Па К полускальным относится часть изверженных и метаморфических пород ( со сравнительно слабыми силами сцепления между частицами) и породы осадочного происхождения. Они имеют предел прочности при одноосном сжатии в насыщенном водой состоянии (w =12%) от 2*107 до 5*107па. Характерная технологическая особенность полускальных пород в отличие от связных и рыхлых – необходимость их разрушения взрывом перед выемочно – погрузочными работами. К полускальным породам относятся, например, сланцы, слабые песчаники на глинистом и известковом цементе, мергели, слабо сцементированные конгломераты, слабые известняки и сланцы, разрушенный песчаник, гипс, каменная соль, крепкие и каменные угли и др. Для большинства скальных и полускальных пород характерна естественная трещиноватость в массиве, оказывающая большое влияние на технологию ведения горных работ. По степени трещиноватости эти породы подразделяют на пять технологических категории: Практически монолитные Мало трещиноватые Средней трещиноватости сильно трещиноватые Чрезвычайно трещиноватые. Плотные, мягкие, сыпучие породы. Плотные породы представлены твердыми глинами, мелами, бурыми и каменными углями и др. Предел прочности этих пород при одноосном сжатии 107- 2*107Па. Их можно разрабатывать горными машинами без предварительного разрушения при достаточных усилиях резания. В случае динамических нагрузок плотные породы разрушаются хрупко, но при длительном воздействии нагрузки они ведут себя как пластичные тела. Угол их внутреннего трения равен 16-35о, сцепление 5*105 – 4 10 6 Па. Мягкие породы представлены песчаными глинами, суглинками, супесями, мягкими углями, полностью дезинтегрированными изверженными и метаморфическими породами и др. Предел прочности их при одноосном сжатии 106 -107 Па, угол внутреннего трения 14-23о , сцепление 5*104 -106 Па. Такие породы достаточно легко разрабатываются без предварительного рыхления всеми видами выемочных машин. При высыхании они становятся полутвердыми, а под действием воды набухают. Сыпучие породы – это различные пески. Пески называют пылеватыми, если масса частиц крупнее 0,1 мм составляет менее 75% и мелкими – при большем содержании частиц. Если в песке содержится более 50% частиц крупнее 0,25мм, его называют песком средней крупности, более 50% частиц крупнее 0,5 мм – песком крупным , более 25% гравелистых частиц – песком гравелистым. Если в породе содержится 50% частиц крупнее 2 мм, то ее называют гравийной ( дресвяной ), а если 50% и более частиц крупнее 10мм, то породы называют галечниками и щебенистыми. Мерзлые породы. Мягкие породы и сыпучие породы рои отрицательной температуре вследствие превращения свободной воды, а также и других видов в лед, прочно скрепляющий минеральные частицы, резко изменяют свои прочностные свойства. Наименьшей прочностью и наибольшими деформациями обладают глинистые породы, имеющие слоистую криогеновую ( с прослоями льда) текстуру, а наибольшей прочностью – крупнозернистые песчаные породы со сложной текстурой. По мере понижения температуры и увеличения влажности пород ( до полного водонасыщения ) их предел прочности при сжатии существенно возрастает. Прочность мерзлых мягких и сыпучих пород близка к прочности плотных и полускальных пород. Мерзлые песчаные породы при оттаивании имеют те же прочностные показатели, что и до промерзания. Глинистые мерзлые породы при оттаивании часто превращаются в разжиженную массу и теряют свою несущую способность. В массивах часто встречаются разнородные породы, представляющие собой различные сочетания рассмотренных ранее пород. Они могут быть представлены уплотненными мягкими и сыпучими породами со скальными включениями в виде гравия, валунов, конгломератов, кремнистых или известняковых прожилков и линз, хаотически расположенных в массиве основной породы. Разнородные породы наиболее характерны для песчано – гравийных месторождений. Разрушение породы В зависимости от степени разрушения необходимо различать следующие технологические виды разрушенных и раздробленных пород. 1. Связновзорванные – скальные и полускальные породы. Отдельности массива пород, находящихся в таком состоянии не разрываются полностью, а лишь увеличивается трещиноватость массива и сохраняются в значительной мере силы сцепления между отдельностями. 2. Крупновзорванные – это породы с большими воздушными промежутками между блоками и кускам, с отсутствием сил сцепления между ними, но блоки и куски этих пород зажаты во взорванной массе и существуют силы сцепления по неразрушенным природным трещинам в кусках. 3 Мелковзорванные – они характеризуются наличием большого числа воздушных промежутков между кусками. Отдельные куски чаще зажаты во взорванной массе. 4 Раздробленные породы – К этому виду относятся все взорванные породы, дополнительно раздробленные другими способами, с кусками крупностью не более 20см. 5 Мелкораздробленные ( щебеночного вида ) породы с частицами размером не более 10 см, получающиеся в результате дробления и рассева по крупности добытых полезных ископаемых. 6 Разрыхленные мягкие породы теряют естественное сцепление. Лекция №15Тема : ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ГОРНОГО ПРОИЗВОДСТВАПлан лекции (с.178-200/1/): Разрушение и транспортирование горных пород. Управление состоянием массива горных пород. Обогащение и геотехнология. Разрушение и транспортирование горных пород. Разрушение горных пород – основной процесс горного производства. Разрушение происходит при отделении пород от массива механическими и любыми другими способами – при бурении горных пород, их взрывании, дроблении и измельчении на последующих стадиях переработки. Разрушаемость пород может быть оценена соответствующей работой разрушения; ее величина обусловлена пределами прочности, упругими и пластическими свойствами горных пород. Все породы по относительной трудности разрушения разделены на пять классов и на 25 категорий: 1 класс – мягкие, плотные и полускальные связные породы ( птр = 1÷5); категории пород : 1-5; 2 класс – лекгоразрушаемые скальные породы (Птр = 5,1÷10) ; категории пород : 6-10; 3 класс - скальные породы средней трудности разрушения (Птр = 10,1÷15 ); категории пород: 11-15; 4 класс – трудноразрушаемые скальные породы ( Птр = 15÷ 20); категории пород 16-20; 5 класс - весьма трудноразрушаемые скальные породы ( Птр = 20,1÷25 ); категории пород: 21-25; Таким образом, по трудности разрушения все породы делятся на 25 категорий ; показатель категории совпадает с величиной Птр. Редко встречающиеся породы с Птр >25 относятся к внекатегорным. Связные и рыхлые породы, а также твердые ( предварительно ослабленные ) отделяют от массива режущими кромками и зубьями выемочных агрегатов: скреперов, бульдозеров, экскаваторов, врубовых машин, очистных и проходческих комбайнов и струговых установок. Режущая кромка или зуб агрегата под действием либо статистических, либо динамических усилий внедряется в массив и откалывает относительно небольшие куски ( или снимает стружку ) от массива. Этому процессу соответствует особые горнотехнологические параметры, характеризующие породу - удельные усилия резания, зарубания, откола, внедрения и т.д. Основные разрушающие напряжения при этом – сжимающие и сдвигающие. Поэтому в процессе резания основную роль играют прочностные и упругие параметры пород. Как известно, породы, обладающие большой прочностью, не могут быть отделены от массива непосредственно выемочными агрегатами. В таких случаях используют предварительное рыхление массива буровзрывным способом. Эффективность бурения взрывных скважин оценивается скоростью бурения, которая зависит от следующих факторов: -способности пород разрушаться под действием бурового инструмента ( основной фактор ); -вида и формы бурового инструмента и способа бурения; усилий и скорости -воздействия бурового инструмента на забой скважины ; -диаметра скважины и в ряде случаев ее глубины; -способа, скорости и тщательности удаления из забоя скважины буровой мелочи, препятствующей разрушению породы. Все перечисленные факторы определяют технологические параметры буровых станков; основной фактор – способность пород разрушаться – оцениваться буримостью пород. Буримость – степень сопротивления породы разрушению буровым инструментом. Она включает в себя в скрытом виде такие механические характеристики пород, как упругие свойства, прочность, пластичность, а также технологические показатели – твердость, вязкость, и абразивность. Все горные породы по величине Пб подразделяются на 25 категории ( Пбот 1 до 25) с выделением пяти классов : 1 класс – лекгобуримые (Пб= 1÷5) 2 класс - средней трудности бурения ( Пб= 6÷10) 3 класс – труднобуримые (Пб= 11÷15) 4 класс – весьма труднобуримые (Пб= 16÷20)1 5 класс – исключительно труднобуримые (Пб=21÷25) Породы с показателем Пб > 25 относятся к внекатегорным. Введение показателя Пб упорядочивает и облегчает технологические расчеты буровых установок: их производительность, режим и техническую скорость бурения в конкретных горнотехнологических условиях. Физические свойства и явления в породах используются не только для расчета параметров существующих станков, но и для совершенствования способов механического бурения. Интерес представляют методы гидравлического воздействия, методы приложения к породам упругих колебаний, ударных нагрузок и др. При термическом бурении на породу воздействует высокотемпературная сверхзвуковая газовая струя, которая интенсивно разогревает тонкий поверхностный слой породы и вызывает в нем термические напряжения, приводящие к отколу от поверхности мелких чешуек. Следовательно, термическое бурение пород происходит путем «шелушения», хрупкого отделения от нагреваемой поверхности небольших пластинок породы. При взрыве образуется зона сжатия ( зона пластических деформации ), в которой порода либо переизмельчается ( скальные и полускальные породы), либо уплотняется ( часть плотных и мягкие глинистые породы). При этом преодолевается сопротивление породы силам сжатия и сдвига. При взрывном дроблении массива скважинными зарядами радиус зоны сжатия составляет (1-7,5)d3, где d3 – диаметр заряда. За зоной сжатия расположена зона трещинообразования; радиус ее при скважинных зарядов составляет (20-50)d3. Здесь энергия взрыва расходуется на преодоление сопротивления породы с сдвигу, растяжению и частично сжатию. За зоной трещинообразования следует зона сотрясения, которая с удалением от заряда переходит в зону упругих деформации . Зоны сжатия и трещинообразования образуют вместе зону регулируемого дробления. В зоне сотрясения также частично происходит разрушение пород по естественным трещинам ( без дробления отдельностей массива )- это зона нерегулируемого дробления. При взрывных работах стремятся максимально увеличить зону регулируемого дробления путем управления действием взрыва. Разрушение пород при взрыве происходит в результате совокупного воздействия расширяющихся продуктов детонации, ударных волн и волн разгрузки. Расширяющие газы разрушают пород непосредственно в месте закладки ВВ. Одновременно они передают энергию взрыва в массив. Коэффициент передачи энергии взрыва в массив составляет 0,4 -0,6 . Энергия в массиве вблизи заряда распространяется в виде ударной волны. Разупрочнение ( ослабление) пород- технологический процесс, применяемый либо с целью исключения буровзрывных работ, либо с целью повышения эффективности их. Ослаблению чаще всего подвергают мерзлые горные породы. Как известно, из-за смерзаемости рыхлых и связных пород на вскрышных работах пи добыче мягких и влажных руд, глин, песка, гравия в зимнее время возникают существенные затруднения. Многочерпаковые и роторные экскаваторы, а также бульдозеры и скреперы вообще не способны разрабатывать мерзлую горную породу без предварительной ее подготовки к выемке. Ослабление мерзлых пород осуществляют механическими и немеханическими методами. Наиболее часто механическое рыхление осуществляют буровзрывными работами, рыхлителями, дизель –молотами и т.д. В случае поверхностного нагрева применимы закономерности распространения тепла в полубесконечном твердом теле . Разогрев пород с поверхности при большой глубине нагрева длителен, мало производителен и дорог. Оттаивание пород осуществляют также непосредственным пропусканием электрического тока по разогреваемому участку. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ Ржевский В.Н. Основы физики горных пород. М.: Недра 1989. 672 с. Новик Я.С. Физика горных пород. М.: Недра 1986. 458 с. Астафьев Ю.П. Управление состоянием массива горных пород. Киев ВШ. 1986. 672 с. Арсентьев А.И. Устойчивость бортов и осушение карьеров. М.: Недра 1986. 359 с. |