Учебник рекомендовано Федеральным государственным автономным учреждением
 Скачать 0.6 Mb.
|
|
Ю.А.БОРОВКОВ, В. П. ДРОБАДЕНКО, Д. Н. РЕБРИКОВ ОСНОВЫ ГОРНОГО ДЕЛА среднее ПрОФессИОнАЛЬнОе ОБрАЗОВАнИе УЧЕБНИК рекомендовано Федеральным государственным автономным учреждением «Федеральный институт развития образования» (ФГАУ «ФИрО») в качестве учебника для использования в учебном процессе образовательных учреждений, реализующих программы сПО по специальности 130405 «Подземная разработка месторождений полезных ископаемых», ПМ.01 «Введение технологических процессов горных и взрывных работ» регистрационный номер рецензии 460 от 09 октября 2012 г. ФГАУ «ФИрО» рекомендовано научно-методическим советом Министерства профессионального образования, подготовки и расстановки кадров республики саха (Якутия) для использования в учебном процессе учреждений начального и среднего профессионального образования республики саха (Якутия) Москва 2012 УДК 622(075.32) ББК 33я723 Б831 ISBN 978-5-7695-9371-0 © Ю.А.Боровков, В.П.Дробаденко, Д.Н.Ребриков, 2012 © Образовательно-издательский центр «Академия», 2012 © Оформление. Издательский центр «Академия», 2012 © «Академия-Медиа», 2012 А в т о р ы: Ю.А.Боровков (подразд. 1.1, 1.3, 2.2…2.7, 3.1…3.6, 3.8, 3.11, гл. 5), В.П.Дробаденко (подразд. 1.2, 2.1, 2.5, 2.8…2.10, 3.7, 3.9, 3.10); Д.Н.Ребриков (гл. 4) Р е ц е н з е н т ы: генеральный директор Ассоциации «Союзвзрывпром», д-р техн. наук, лауреат премии Правительства РФ в области науки и техники В.Л.Барон; доц. кафедры подземной разработки МПИ горного факультета Северо-Восточного федерального университета им. М.К.Аммосова, канд. техн. наук, ст. науч. сотр. В.С.Марков Данный учебник разработан по заказу Министерства профессионального образования, подготовки и расстановки кадров Республики Саха (Якутия) Боровков Ю. А. Б831 Основы горного дела : учебник для студ. учреждений сред. проф. образования / Ю.А.Боровков, В.П.Дробаденко, Д.Н.Ребриков. — М. : Издательский центр «Академия» ; «Академия-Медиа», 2012. — 432 с. ISBN 978-5-7695-9371-0 Учебник создан в соответствии с Федеральным государственным обра- зовательным стандартом по специальности 130405 «Подземная разработка месторождений полезных ископаемых», ПМ.01 «Ведение технологических процессов горных и взрывных работ (МДК.01.01)». Освещен комплекс вопросов, связанных с технологией подземной раз- работки пластовых месторождений. Даны сведения об основных горно- геологических и горно-технических характеристиках пластовых месторож- дений; термины и понятия, используемые в горном деле. Рассмотрены кате- гория запасов при освоении месторождений полезных ископаемых, вскрытие и подготовка пластовых месторождений, проведение и крепление горных выработок, основные и вспомогательные процессы очистной выем- ки, системы разработки, шахтная вентиляция. К данному учебнику выпущен электронный образовательный ресурс «Основы горного дела». Для студентов учреждений среднего профессионального образования. УДК 622(075.32) ББК 33я723 У важаемый читатель ! Данный учебник является частью учебно-методического ком- плекта по специальности 130405 «Подземная разработка место- рождений полезных ископаемых». Учебник предназначен для изучения профессионального моду- ля ПМ.01 «Ведение технологических процессов горных и взрыв- ных работ», МДК 01.01 «Основы горного дела». Учебно-методические комплекты нового поколения включают в себя традиционные и инновационные учебные материалы, позво- ляющие обеспечить изучение общеобразовательных и общепро- фессиональных дисциплин и профессиональных модулей. Каж- дый комплект содержит учебники и учебные пособия, средства обучения и контроля, необходимые для освоения общих и профес- сиональных компетенций, в том числе и с учетом требований ра- ботодателя. Учебные издания дополняются электронными образовательны- ми ресурсами. Электронные ресурсы содержат теоретические и практические модули с интерактивными упражнениями и трена- жерами, мультимедийные объекты, ссылки на дополнительные материалы и ресурсы в Интернете. В них включен терминологиче- ский словарь и электронный журнал, в котором фиксируются основные параметры учебного процесса: время работы, результат выполнения контрольных и практических заданий. Электронные ресурсы легко встраиваются в учебный процесс и могут быть адап- тированы к различным учебным программам. Учебно-методический комплект по профессиональному модулю «Ведение технологических процессов горных и взрывных работ» включает электронный образовательный ресурс «Основы горного дела», ссылки на который в учебнике обозначены . Учебно-методический комплект разработан на основании Феде- рального государственного образовательного стандарта среднего профессионального образования с учетом его профиля и современ- ных тенденций развития горного дела в условиях Крайнего Севера. 4 П редисловие Настоящий учебник составлен по программе профессиональ- ного модуля, которая разработана на основе Федерального обра- зовательного стандарта по специальности среднего профессио- нального образования (СПО) 130405 «Подземная разработка ме- сторождений полезных ископаемых» (базовый) в части освоения профессионального модуля «Ведение технологических процессов горных и взрывных работ». Учебник является вводным к дисциплинам по горным специ- альностям. В нем в сжатой форме излагаются общие сведения о различных технологиях разработки месторождений подземным способом, включающие в себя сложные и специфические техно- логические процессы. Горное дело относится к одному из основных видов человече- ской деятельности, обеспечивающих существование и уровень развития цивилизации. Горное дело как область промышленного производства охватывает разведку месторождений полезных ис- копаемых, их разработку, первичную переработку добываемого сырья, строительство горных предприятий и подземных сооруже- ний различного назначения; оно включает в себя все виды техно- генного воздействия на земную кору. Дисциплина «Основы горного дела» является одной из первых дисциплин, формирующих профиль подготовки специалистов по таким направлениям, как горное дело, маркшейдерия и обогаще- ние полезных ископаемых. Задачей ее изучения является получение знаний об основных терминах, понятиях и принципах добычи различных полезных ис- копаемых подземным способом, в основном для разработки уголь- ных месторождений, расположенных в многолетнемерзлых поро- дах в Якутии. Цели изучения дисциплины: овладение горной терминологией и комплексом понятий, формирующих область деятельности человека при освоении и сохранении земных недр; освоение принципов ведения и обеспечения горных работ; освоение принципов современной технологии добычи угля. Изучение междисциплинарного курса «Основы горного дела» позволяет студентам ознакомиться с горным производством и предшествует последующему изучению дисциплин специальности и практической работе в качестве горного техника-технолога. 6 Г лава 1 Общие вОпрОсы разрабОтки местОрОждений пОлезных искОпаемых 1.1. ОснОвные пОнятия Освоение запасов любого месторождения представляет собой создание и эксплуатацию технической системы по добыче и пе- реработке минеральных веществ (полезных ископаемых) лито- сферы. Полезные ископаемые — природные минеральные вещества, которые при данном уровне техники могут быть использованы в экономике в естественном виде или после предварительной обра- ботки. Полезные ископаемые бывают твердыми (различные руды, уголь, алмазы и др.), жидкими (нефть, рассолы, вода) и газообраз- ными (природные газы). Месторождение полезного ископаемого — естественное ско- пление в земной коре полезного ископаемого, разработка которо- го на момент его разработки является экономически выгодной. Скопление твердого полезного ископаемого, залегающего среди горных вмещающих его пород, называется рудным телом, или руд- ной залежью. Главными показателями промышленной ценности месторож- дений являются: запасы, качество, горно-геологические условия залегания полезного ископаемого, его географическое положе- ние. Пустая порода — горные породы, окружающие полезное ис- копаемое (вмещающие) или включенные в него, не являющиеся объектом извлечения полезных компонентов. Горная масса — смесь полезного ископаемого с породой, по- лучаемая в результате разработки месторождения, как в сме- шанном виде, так и раздельно. К горной массе относится и по- 7 рода, поступающая из капитальных и подготовительных выра- боток. Руда — минеральное вещество, из которого целесообразно из- влекать полезные компоненты при современном уровне техники и экономики. Необходимость последующей переработки руды для извлечения содержащихся в ней полезных компонентов отличает руду от других видов полезных ископаемых, которые могут ис- пользоваться в природном состоянии без переработки: уголь, торф, каменная соль и др. Руды подразделяются на металлические, в которых полезные компоненты представлены металлами, и неметаллические, в кото- рых полезные компоненты представлены различными минерала- ми, не содержащими металлов (апатит, слюда, графит и др.). Ме- таллические руды подразделяются на руды черных, цветных, ред- ких и радиоактивных металлов. Рудная масса — смесь руды с породой, которая попадает в руду в процессе выемки. По морфологическому признаку рудные месторождения мож- но подразделить на пластовые, пластообразные, столбообразные, Рис. 1.1. Формы залегания месторождений: а — пластообразная; б — штокообразные; в — рудные гнезда; г — столбообразная; д — линзообразные; е — простая жила; ж — сложная жила; з — свита жил 8 линзообразные, жильные, штокообразные и гнездообразные. Мо- гут быть рудные тела и других форм (рис. 1.1). Пластовые месторождения имеют стабильную мощность и четкие контакты с вмещающими породами. Они бывают обычно осадочного происхождения. Пластообразные месторождения характеризуются неста- бильной формой и мощностью, различными углами падения. Обычно осадочного или осадочно-метаморфического происхожде- ния. Линзообразные месторождения имеют форму линзы, различ- ные размеры и углы падения. Жильные месторождения могут быть простыми и сложными (с невыдержанными элементами залегания и нечеткими контакта- ми с вмещающими породами) или состоящими из ряда тонких жил и множества прожилков. Штокообразные месторождения представляют собой рудное тело неправильной формы большого размера. Гнездообразные месторождения состоят из мелких по разме- рам рудных тел (гнезд) неправильной формы. Промышленное зна- чение имеют месторождения с большим количеством гнезд. Рудные тела характеризуются обычно мощностью, углом паде- ния, длиной по простиранию, глубиной распространения и площа- дью. По мощности они подразделяются на пять групп: очень тонкие, мощностью менее 0,7 м; тонкие 0,7…2,0 м; средней мощности 2…5 м; мощные 5…20 м; очень мощные, более 20 м. По углу падения они подразделяются: на пологие — до 25°; наклонные — от 25 до 45°; крутые — от 45 до 90°. Расстояние между нижней и верхней границами месторожде- ния по вертикали определяет глубину распространения рудного тела. В большинстве случаев месторождение представлено не одним, а несколькими рудными телами, нередко нарушенными сбросами, сдвигами. Чем больше тектонических нарушений имеет рудное тело, тем сложнее его разработка. 9 Важным фактором является характер контакта рудного тела с вмещающими породами. Контакт в одних случаях бывает выра- жен резко, и рудное тело имеет четкую границу с вмещающим по- родами. В других случаях переход от руды к пустой породе проис- ходит постепенно, а границы промышленного оруденения можно установить только путем опробования руды на содержание полез- ного ископаемого. Разработкой месторождения называется комплекс горных работ по вскрытию, подготовке и очистной выемке и транспорти- ровке его на поверхность, вентиляции, водоотливу и т.п. Эти рабо- ты являются стадиями разработки месторождения. Вскрытие и подготовка осуществляются посредством проведения выработок. Забои проводимых выработок называют подготовительными. Вы- емку (добычу) полезного ископаемого ведут в очистных забоях, применяя при этом различные способы его разрушения. Это, в общем, справедливо для твердых полезных ископаемых как при подземных, так и открытых горных работах. Добычу полезного ископаемого осуществляет горное предпри- ятие — самостоятельная производственная единица, осуществля- ющая эксплуатационную разведку, добычу и обогащение полез- ных ископаемых. Горное предприятие, производящее добычу и первичное обогащение полезных ископаемых, называется горно- добывающим. Существуют следующие виды горнодобывающих предприятий: шахта, рудник, карьер, разрез, прииск, промысел. Шахта — горное предприятие, предназначенное для добычи в основном угля подземным способом. Рудник — горное предприятие, служащее в основном для под- земной добычи руд, горно-химического сырья и строительных ма- териалов. Это понятие иногда используют для обозначения не- скольких шахт (карьеров), объединенных в единую административно- хозяйственную единицу с централизованным хозяйством. Карьер — горное предприятие, осуществляющее добычу по- лезных ископаемых открытым способом. Разрез — карьер по добыче угля. Прииск — горное предприятие по разработке россыпных ме- сторождений (золота, алмазов, олова и др.). Промысел — горное предприятие по разработке жидких и га- зообразных полезных ископаемых (нефтяной промысел). Производительность горных предприятий ,называемая так- же производственной мощностью, исчисляется в тоннах полезно- го ископаемого, добываемого в течение года. Производительность горных предприятий устанавливают в зависимости от величины 10 балансовых запасов полезных ископаемых в шахтных (карьерных) полях и потребности в них. Для рудников и шахт она составляет от десятков тысяч до нескольких миллионов тонн, производственная мощность крупных карьеров нередко измеряется десятками мил- лионов тонн. Производительность горного предприятия А,т/год, срок его су- ществования Т и запасы полезного ископаемого в шахтном (ка- рьерном) поле Б взаимосвязаны следующим выражением: А = Б/Т. Опыт разработки месторождений полезных ископаемых предо- пределяет сроки существования горных предприятий в пределах от 5…7 лет до 50 и более. Все работы при функционировании любого горного предприя- тия ведутся только в пределах горного отвода. Горный отвод — часть недр, предоставленная организации или предприятию для промышленной разработки содержащихся в ней залежей полезных ископаемых. Горный отвод не дает право на использование поверхности в его границах, т.е. площадь горно- го отвода не отождествляется с площадью земельного отвода, а определяется производственной мощностью и сроком службы гор- ного предприятия. Предоставление и оформление горного отвода осуществляют органы Госгортехнадзора. Для строительства наземной части горного предприятия выде- ляется земельный отвод — участок земельной площади, предо- ставленный в пользование предприятию или организации с опре- деленным целевым назначением. Типовая структура земельного отвода горнодобывающего предприятия включает в себя: промышленную площадку рудника; отвалы пустых пород и забалансовых, бедных руд; внутренние транспортные магистрали; промышленную площадку обогатительной фабрики; хвостохранилище; территорию под гражданское строительство. 1.2. Общая характеристика гОрных пОрОд Горная порода — природный минеральный агрегат более или менее постоянного состава. В отличие от ми- нерала — химического соединения элементов — горная 1 11 порода представляет собой механическое соединение минералов, обусловленное наличием минерального цемента или молекуляр- ных сил. Горные породы подразделяются на отдельные классы по следу- ющим признакам: условиям образования — магматические, осадочные, мета- морфические; петрографическому составу — кислые, основные, ультрао- сновные, щелочные; степени кристаллизации — полнокристаллические, непол- нокристаллические, стекловидные, порфировые, обломоч- ные; крупности кристаллических зерен — крупно-, средне-, мел- ко- и микрокристаллические; текстуре или сложению — массивные, пористые, слоистые; физическому состоянию — твердые (скальные), пластичные, рыхлые (сыпучие), текучие. Сложение и строение пород, а также их свойства определяют- ся, главным образом, условиями их образования. Магматические (изверженные) породы характеризуются сплошным кристаллическим строением (размеры кристаллов за- висят от скорости затвердения магмы, температуры и давления). Эти породы более или менее изотропны по своим свойствам. Изотропность свойств магматических горных пород определяет- ся условиями затвердения расплавленной силикатной массы — магмы. Из магмы, излившейся на поверхность, образуются эф- фузивные, а из застывшей на глубине — интрузивные породы. Эффузивные породы обычно весьма неоднородны по составу, могут быть высоко пористыми и рыхлыми (туфы), в некоторых случаях обладают скрытокристаллической стекловидной структу- рой (обсидиан). Для большинства эффузивных пород характерна порфировая структура (порфирит). В интрузивных породах в результате медленного и равномер- ного охлаждения расплава магмы происходит кристаллизация ми- нералов в определенной последовательности и, таким образом, об- разуется зернистая структура. В больших интрузивных телах при медленном остывании магмы образуются породы крупнокристал- лической структуры. Интрузивные горные породы характеризу- ются сравнительно грубой зернистостью, низкой пористостью и малой проницаемостью. 12 В зависимости от содержания кварца, полевых шпатов, слюды и амфибола изверженные породы подразделяются на кислые, средние, основные, ультраосновные и щелочные. Около 35 %всех магматических пород представлены гранитами и гранодиоритами. Они покрывают площадь в 20 раз большую, чем все остальные вместе взятые интрузивные породы. Из эффузивных (излившихся) пород наиболее распространены базальты. Они занимают объем в 5 раз больший, чем все осталь- ные эффузивные породы. Щелочные породы составляют менее 1 % общего объема изверженных пород. Осадочные горные породы представляют собой отложения в водных бассейнах или на поверхности суши продуктов механиче- ского или химического разрушения ранее существовавших магма- тических, осадочных или метаморфических пород. Иногда осадоч- ные породы образуются в результате жизнедеятельности расти- тельных или животных организмов. На поверхности земли осадочные породы занимают 75 %площади, доля их в составе ли- тосферы — 5 %. Остальную часть (95 %) занимают изверженные породы. 98…99 % от общего объема осадочных пород составляют глинистые сланцы, песчаники и известняки. Образованные в условиях низких температур и малого давле- ния в результате механического осаждения, они характеризуются слоистым строением и значительной пористостью. По условиям образования осадочные породы подразделяются на три группы: обломочные (или механические осадки); химические; органогенные. Излом (или разрушение) осадочных пород определяется соот- ношением прочности зерен и цемента и может проходить по зер- нам пород или скрепляющему их цементирующему веществу. В практике разработки рудных месторождений нередко прихо- дится иметь дело с осадочными породами, которые в отличие от магматических пород имеют меньшую прочность и устойчивость, обладают значительной пористостью, бывают газо- и водонасы- щены. Метаморфические горные породы образовались из извержен- ных или осадочных пород под воздействием высоких температур и давления, горячих газов и растворов. Вследствие этого измени- лись минералогический состав, структура (иногда и первоначаль- ный химический состав) первичных пород. Механические свой- ства метаморфических пород зависят от степени перекристалли- 13 зации, сланцеватости, пористости, взаимного расположения зерен. Эти породы обычно имеют ясно выраженную кристаллическую зернистую структуру. Во многих случаях при массивной текстуре (например, мраморы, кварциты) они почти не отличаются от из- верженных пород. При слабой метаморфизации осадочных пород приобретается сланцеватая структура (сланцы, филлиты, плотные роговики). К сланцевой текстуре близка гнейсовая, выражающая- ся в линейном расположении кристаллов биотита, мусковита, ро- говой обманки. Метаморфические породы, как правило, обладают малой пори- стостью и проницаемостью. Их физические свойства определяют- ся слагающими минералами. Сланцеватость метаморфических пород, определяемая упоря- доченным расположением пластинок слюды и кристаллов роговой обманки, обусловливает анизотропностьсвойств массива горных пород. 1.3. ФизикО-механические свОйства гОрных пОрОд Знание физико-механических свойств горных пород позволяет оценить эффективность различных способов разрушения пород, устойчивость выработок, правильно выбрать тип крепи, обосновать целесообразность применения того или иного способа проходки в целом, правильно планировать горные работы. Свойства горных пород главным образом зависят от минераль- ного состава, структуры и текстуры. Под текстурой горных пород понимается ориентировка и пространственное расположение отдельных минеральных зерен или агрегатов минеральных зерен. В зависимости от характера связей между отдельными зерна- ми и минеральными агрегатами можно выделить следующие типы пород: твердые породы, отличающиеся жесткой, упругой связью (скальные) или упругой и пластичной связью (полускаль- ные); скальные породы имеют наиболее прочные связи меж- ду минеральными зернами; связные породы, для которых свойственны преимуществен- но водно-коллоидные связи между частицами; 1 14 несвязные (рыхлые) породы, характеризующиеся отсутстви- ем каких-либо связей между частицами, находящимися в со- прикосновении друг с другом. Разновидностью несвязных пород являются плывучие породы, которым в определенных условиях свойственна подвижность; они состоят из твердой и жидкой фаз. Особую группу составляют мерзлые горные породы, к которым относятся породы с отрицательной температурой и в составе кото- рых имеется хотя бы небольшое количество льда. Между льдом и незамерзшей водой в мерзлой породе при данной температуре су- ществует термодинамическое равновесие. При увеличении коли- чества льда в породе она называется замерзающей, а при умень- шении — оттаивающей. По завершении процесса оттаивания мерзлая порода превра- щается в талую. В зависимости от длительности пребывания при отрицательной температуре породы подразделяются на сезонномерзлые и много- летнемерзлые. У сезонномерзлых пород мерзлое состояние про- должается не более одного сезона, а у многолетнемерзлых — от нескольких лет до тысячелетий. В отличие от мерзлых горные породы, имеющие отрицатель- ную температуру, но не содержащие в своем составе льда, называ- ются морозными, или охлажденными. В пределах России площадь, занятая многолетнемерзлыми по- родами, составляет более 10,5 млн км 2 , т.е. около 48 % территории страны. Общая площадь, занятая такими породами на земном шаре, составляет 35,07 млн км 2 , или 24 % площади всей суши. К физико-механическим свойствам пород относятся: плотност- ные, прочностные, упругие и пластические характеристики гор- ных пород и массивов. Плотностные свойства. Плотность минералогическая —от- ношение массы твердых частиц m т , слагающих горную породу, к их объему v т ,т.е. ρ = m т /v т (1.1) Величина ρзависит от плотности входящих в породу минера- лов, которые условно в зависимости от ее величины подразделя- ются на тяжелые (ρ > 4 ⋅ 10 3 кг/м 3 ), средней плотности (4 ⋅ 10 3 кг/м 3 > > ρ > 2,5 ⋅ 10 3 кг/м 3) и легкие (ρ < 2,5 ⋅ 10 3 кг/м 3 ). Для характеристики плотности пород в условиях естественного залегания нередко пользуются таким свойством, как средняя плотность ρ 0 , которая учитывает пористость породы, кг/м 3 : 15 ρ 0 = m т /v, или ρ 0 = ρ(1 − р), (1.2) где v —объем породы, включая поры; р — пористость в долях еди- ницы. Сравнивая выражения (1.1) и (1.2), очевидно, что р > р 0 . Сред- няя плотность большинства пород изменяется от 1,5⋅10 3 до 3,5⋅10 3 кг/м 3 , причем меньшие ее значения свойственны осадочным, а бо- лее высокие — изверженным и метаморфическим породам. В расчетах нередко используют удельный вес γ породы, который определяется через плотность ρи среднюю плотность ρ 0 , МН/м 3 : γ = ρg;γ 0 = ρ 0 g, (1.3) где g — ускорение свободного падения. Особенно это необходимо в расчетах горного давления. Пористость р — отношение объема v п имеющихся в породе пор, %, к ее общему объему v,т.е. p v v v v v = = − Π Τ 100 %. (1.4) В зависимости от значения пористости породы обычно подраз- деляются на мало- (р <5 %),средне- (р =5…20 %) и высокопори- стые (р >20 %). Наибольшей пористостью обладают осадочные породы (у глин 27…40 %, известняков — 11…20 %,песчаников — 15…19 %) и меньшей — метаморфические и магматические (мра- мор — 1 %,гранит — 0,95 %, сланцы — 1…4 %). Бывают исключе- ния высокой пористости у эффузивных магматических пород, та- ких как туфы и трахиты (до 50…60 %). Увеличение пористости снижает прочность породы, повышает ее влаго- и газопроницаемость. Разрыхляемость — свойство горных пород увеличиваться в объ- еме при отделении их от массива. Степень разрыхляемости пород характеризуется коэффициентом разрыхления К раз ,т.е. отношени- ем объема разрыхленной породы V раз к ее объему в массиве V: К раз = V раз /V. (1.5) Значение К раз всегда больше единицы и зависит от физико-ме- ханических свойств породы и способа отделения от массива. В гор- норудной практике коэффициент разрыхления изменяется от 1,07…1,2 (при отбойке на «зажатую среду») до 1,3…1,5 (при отбой- ке на компенсационное пространство). Предельным значением разрыхления пород считается 1,8…2,0 (при загрузке в откаточные сосуды). 16 Разрыхление пород необходимо учитывать при обрушении под- рабатываемого массива пород и сдвижении поверхности, созда- нии подпора со стороны ранее обрушенных пород, усадка закла- дочного материала в камерах и других случаях управления состоя- нием массива. Значение К раз зависит от гранулометрического состава разрыхленной массы, взаимного расположения отдельных кусков, продолжительности самоуплотнения, давления, влажности и других факторов. Прочностные свойства.Они определяются сопротивляемостью горной породы разрушению при приложении сжимающих, растя- гивающих, сдвигающих или изгибающих усилий. Предел прочности на сжатие (растяжение) — отношение разрушающего сжимающего (или растягивающего) усилия к пло- щади приложения нагрузки, МПа: σ с = P c /S; σ p = P p /S, (1.6) где σ с и σ р — пределы прочности на сжатие и растяжение соответ- ственно; Р с , Р р — сжимающее и растягивающее усилия соответ- ственно; S — первоначальная площадь образца. Значения σ с и σ р зависят от свойств и строения пород (состава, структуры, трещиноватости, пористости, слоистости и др.), харак- тера приложения усилий (одноосное, двухосное, трехосное на- правление сжимающих сил), метода проведения испытаний, раз- меров и формы образцов. Поэтому для одних и тех же пород они могут изменяться в широких пределах. Горные породы выдерживают довольно высокие сжимающие напряжения и плохо работают на растяжение; σ с бывает больше σ р в среднем в 4…10 раз, а иногда и более (табл. 1.1). т а б л и ц а 1.1. Обобщенные показатели прочности пород на сжатие и растяжение (по м. и. койфману) Породы Одноосное сжатие σ с , МПа Растяжение σ р, МПа Аргиллиты 0,6…115 0,1…14 Алевролиты 1,4…175 0,2…15 Песчаники 0,5…250 0,2…22 Угли 0,2…50 0,01…4 17 Предел прочности пород на одноосное сжатие является одной из наиболее важных механических характеристик горных пород. Она была принята проф. М.М.Протодьяконовым (1926 г.) за осно- ву разделения горных пород по коэффициенту крепости f на клас- сы от 1 до 20 (σ с изменяется от 10 до 200 МПа). Этой классификаци- ей и в настоящее время широко пользуются на практике для сравни- тельной оценки прочности (устойчивости) подрабатываемых пород. Крепость —относительная сопротивляемость породы внеш- ним усилиям (при бурении, взрывании, резании и т.п.), обуслов- ленная, по проф. М.М.Протодьяконову, некоторой комбинацией элементарных сопротивлений растяжению, сжатию, сдвигу, кото- рая так же разнообразна, как разнообразен способ воздействия усилий. М.М.Протодьяконов для сравнения пород ввел понятие относительной крепости, так называемый коэффициент крепости пород f. Для его определения можно использовать различные спо- собы. Наиболее распространен метод определения крепости пород по их прочности на сжатие, при котором f = 1 характеризует по- роду с пределом прочности на сжатие, равным 9,81 МПа. В соот- ветствии с этим коэффициент крепости породы f = σ с /9,8, (1.7) где σ с — предел прочности кубика породы с ребром 50 мм на сжа- тие, МПа; 9,8 МПа — эталонное значение предела прочности на сжатие. По величине временного сопротивления породы сжатию σ с рассчитывают f = σ с /10. (1.8) Работы ИГД им. А.А.Скочинского показывают, что крепкие кварциты, роговики, джеспилиты, крепкие базальты, диабазы об- ладают прочностью на одноосное сжатие до 400…500 МПа, корун- довые породы — до 800 МПа. Международное бюро по механике горных пород при немецкой академии наук в 1960 г. приняло классификационную шкалу проч- ности пород при одноосном сжатии в пределах от 3до 300 МПа. Предел прочности на срез (сдвиг) — определяется отношени- ем срезывающего (сдвигающего) усилия Р ср к площади среза S ср , МПа, т.е. σ ср = P cр /S ср (1.9) Многими исследователями доказывается, что 18 σ с > σ ср > σ р (1.10) Предел прочности на срез в основном определяется силами связи между отдельными частицами, образующими породу. Тон- кокристаллические малопористые изверженные породы обладают наибольшим сцеплением. В породах крупнозернистого строения она значительно ниже. Существенно уменьшаются силы сцепления при увлажнении глинистых и сланцевых пород. По данным ВНИМИ, средние значения сцепления для крепких изверженных пород составляют 30…40 МПа, осадочных пород средней прочности — 2…20 МПа, а слабых и сильно выветрелых — 0,02…2 МПа. Для большинства пород сцепление С =(1,0…1,06)σ р Угол внутреннего трения ϕ —это угол, образуемый каса- тельной к огибающей кривой кругов Мора с осью нормальных напряжений. В твердых горных породах значение ϕ уменьшает- ся с увеличением влажности и возрастанием давления. В осадоч- ных, рыхлых породах угол внутреннего трения уменьшается с ростом содержания мелких фракций и глинистых частиц, спо- собствующих взаимному сдвижению отдельных участков. По данным многочисленных исследований для большинства осадочных пород ϕ изменяется от 9 … 15° до 37 … 40°, а для проч- ных осадочных (плотные сланцы и песчаники) может достигать 50 … 70°. Наблюдается возрастание с увеличением отношения σ с /σ р Упругие свойства.К ним относятся: модуль упругости, коэффи- циент Пуассона, модуль всестороннего сжатия, модуль сдвига. Модуль упругости Е,или коэффициент пропорциональности между действующим продольным напряжением σ(сжимающим или растягивающим) и соответствующей ему относительной де- формацией ε, определяется из зависимости σ= Еε. (1.11) Для твердых тел Е обычно изменяется от 10 3 до 5 ⋅ 10 5 МПа. Зна- чения Е для отдельных горных пород приведены в табл. 1.2. т а б л и ц а 1.2. модули упругости Е и коэффициенты попе- речной деформации m для отдельных горных пород Порода Е ⋅ 10 6 МПа μ Примечание Песчаник 3…7 0,69…0,17 Кузбасс Уголь 1,8…2,5 0,14…0,16 19 Коэффициент поперечной деформации (коэффициент Пуас- сона) — отношение между отдельным поперечным сокращением ε х и относительным удлинениемε у : μ = ε х /ε у (1.12) Для горных пород значение μобычно колеблется от 0,10 до 0,4. Для кварца, из-за хрупкости зерен, μ = 0,07. Поэтому горные по- роды, содержащие кварц, характеризуются небольшим коэффи- циентом поперечной деформации, обычно менее 0,25. Модуль упругости и коэффициент Пуассона для одной и той же породы могут изменяться в широких пределах в зависимости от петрографического состава, наличия слоистости, метода испыта- ний, величины и характера прилагаемых напряжений. Для определения модуля упругости горных пород Е и коэффици- ента Пуассона μ на прессе проводят специальные испытания образ- цов, чаще всего из керна геологоразведочных скважин (рис. 1.2). В ходе нагружения образцов регистрируют давление на образец и его продольные и поперечные деформации. По результатам испыта- ний вычисляют модуль упругости и коэффициент Пуассона пород. Рис. 1.2. Определение упругих свойств пород на прессе: 1 —плиты пресса; 2 —образец горной породы; 3 —аппаратура для измерения про- дольных и поперечных деформаций образца при нагружении 20 Модуль всестороннего сжатия К —коэффициент пропорци- ональности между величиной всестороннего сжатия и относитель- ным уменьшением объема: σ′ = КΔV/V, (1.13) где σ′—нагрузка от всестороннего сжатия; ΔV —абсолютное со- кращение объема; V —первоначальный объем. Модуль сдвига G —отношение касательного напряжения τ, приложенного к породе, к углу сдвига θ,т.е. G = τ/θ, или G = τ/δ′, (1.14) где δ′ — деформация сдвига. Упругие постоянные Е,μ, К, G связаны между собою следую- щими соотношениями: K E = − 3 1 2 ( ) ; m (1.15) G E = + 21 ( ). m (1.16) Паспорт прочности горной породы.По теории прочности Мора разрушение твердого тела наступает тогда, когда касательные (сдвигающие) напряжения достигают критических величин, спо- собных преодолеть силы сцепления между частицами и трение, появляющееся при первых сдвигах (или разрушениях). Паспорт прочности горной породы характеризует зависимость между каса- тельными и нормальными напряжениями. Для построения паспор- та прочности по теории Мора необходимо знать максимальные σ 1 и минимальные σ 3 нормальные напряжения, вызывающие пре- дельное напряженное состояние, при котором наступает разруше- Рис. 1.3. паспорт прочности горной по- роды: 1 — прямолинейная огибающая кругов Мора; 2 — криволинейная огибающая кругов Мора; σ n , τ — нормальные и тангенциальные на- пряжения соответственно; σ с , σ р — пределы прочности на сжатие и растяжение соот- ветственно; τ с — временное сопротивление сдвигу (срезу); ϕ—угол внутреннего трения; τ М — асимптота огибающей предельных кру- гов Мора; С—сцепление 21 ние. В качестве таких напряжений для горных пород принимается предел прочности при сжатии и растяжении (σ 1 = σ с , σ 3 = σ р ). Принимая во внимание, что напряжения сжатия и растяжения различны по знаку, паспорт прочности будет иметь следующий вид (рис. 1.3). Огибающая кривая (или паспорт прочности) соответствует со- стоянию предельного равновесия породы. Для породы, обладаю- щей сцеплением и внутренним трением, угол между касательной к огибающей кривой и осью нормальных напряжений соответ- ствует углу внутреннего трения ϕ,а длина отрезка ординаты от начала осей координат до точки пересечения с огибающей кри- вой — сцеплению С. В предельном состоянии касательное напряжение для породы со сцеплением определяется по условию τ=С+σ n tgϕ, (1.17) а для сыпучих материалов (С = 0) τ=σ n tgϕ. (1.18) Существуют различные представления о форме огибающей кривой. По мнению Г.Н.Кузнецова, наиболее полно паспорту прочности породы соответствует парабола второго порядка (см. рис. 1.3, кривая 2). Пластические и реологические свойства.При нагружении по- род за пределами упругости развиваются пластические деформа- ции, которые начинаются от мест смещений элементов кристал- лической решетки без нарушения структуры. По мере увеличения нагрузки происходит постепенное ослабление связей, приводящее к разрыву сплошности. В массиве горных пород наблюдается взаимное перемещение довольно больших объемов, смятие и обжатие плоскостей переме- щающихся блоков. Такие явления объединяют общим понятием квазипластичность («квази» — от лат. якобы, мнимый). Пластические свойства в значительной мере определяются строением и минеральным составом горных пород. Например, на- личие кварца и полевого шпата придает породам хрупкость и сни- жает способность к развитию пластических деформаций. Мелко- кристаллические основные и ультраосновные породы, обладаю- щие высокой вязкостью, имеют повышенную прочность и значительную пластичность (базальты). Высокопрочные, пластич- ные породы труднее поддаются динамическим разрушениям (взрыву), чем высокопрочные хрупкие. Следует отметить, что труд- 22 нее разрушаются взрывом слабые высокопластичные породы, чем высокопрочные, но хрупкие. Пластичность пород повышается при слоистом строении, когда слагающие слои породы обладают различными прочностными ха- рактеристиками. Пористые горные породы более склонны к пла- стическим деформациям, особенно при увлажнении. Глинистые увлажненные породы могут обладать высокими пластическими свойствами. В зависимости от степени увлажнения глины бывают хрупкими, пластичными и текучими. Ползучесть — медленное нарастание пластической дефор- мации во времени при постоянно действующей нагрузке. Яр- ким примером ползучести является постепенное деформирова- ние целиков, поддерживающих податливую кровлю под нагруз- ками, не превышающими разрушающих. Нагружение таких целиков может продолжаться годами и заканчиваться их раз- рушением. Релаксация — явление снижения напряжений в породе при постоянной деформации. Примером релаксации может слу- жить снижение напряжений в деформированном целике, под- держивающем жесткую не опускающуюся кровлю (потолочи- ну), которая способна с течением времени принять нагрузку вышележащих пород или снижение напряжений в деформиро- ванном податливом целике за счет перераспределения нагрузки на более жесткие опоры. Для обеспечения сохранности целиками несущей способности необходимо учитывать длительную прочность горных пород. Длительная прочность соответствует прочности породы при то или иной продолжительности нагружения. С увеличением сро- ка воздействия нагрузки прочность горной породы снижается, приближаясь асимптотически к некоторому пределу, который обычно называют пределом длительной прочности σ ∞ Для большинства пород, как показали исследования, σ ∞ = (0,6…0,8)σ 0 , где σ 0 — прочность породы на сжатие при мгновенном нагруже- нии. Длительная прочность зависит от состава и строения пород, их влажности, пористости и других условий. Например, исследова- ния длительной прочности слабых пород (мела, мергеля, глины), проведенные ВНИМИ (Всероссийский институт механики горных пород), показали, что σ ∞ = σ 0 (0,97 − 0,38w/p), (1.19) где w, р —влажность и пористость породы соответственно, %. Длительное воздействие нагрузки снижает упругие свойства породы. Модуль упругости уменьшается на 5 … 50 %. Деформиро- вание горной породы в данный момент времени зависит не только от приложенной в этот момент нагрузки, но и от всей предыдущей наследственной деформации. Полная деформация в любой момент времени слагается из упругой деформации в момент приложения нагрузки и собственно деформации ползучести и определяется по экспериментальным данным акад. Ж.С.Ержановым в следующем виде: ε σ δ α α ( ) , t E t = + − − 1 1 1 (1.20) где α,δ — параметры ползучести (определяются на основании длительных испытаний пород на ползучесть); t — время изме- нения пластических деформаций с момента приложения на- грузки. кОнтрОльные вОпрОсы Как по морфологическому признаку подразделяются месторождения 1. полезных ископаемых? Какие имеются типы горнодобывающих предприятий? 2. по каким признакам подразделяются горные породы? 3. Назовите основные физико-механические свойства горных пород. 4. перечислите основные показатели упругих свойств горных пород. 5. Какие показатели относятся к пластическим свойствам горных пород? 6. Какие показатели относятся к реологическим свойствам горных по- 7. род? Что такое коэффициент крепости горной породы? 8. Как определяются пределы прочности горных пород? 9. Что такое паспорт прочности горных пород? 10. ЭлектрОннОе прилОжение См.: Горные и буровзрывные работы при проведении горных выработок / Общая 1 характеристика горных пород. |