Опорные слова и термины. Способы разрушения, скальные и полускальные; плотные, мягкие (связные) и сыпучие породы, крепость, твердость

Способы разрушения, скальные и полускальные; плотные, мягкие (связные) и сыпучие породы, крепость, твердость, плотность, гранулометрический состав, к оэффициент внутреннего трения, разрыхляемость, со п р о т и в л е н и е п о р о д ы в д а в л и в а н и ю, а бразивность, трещиноватость, сопротивление резанию, показатель трудности разрушения породы, коэффициент сопротивления копанию, показатель трудности бурения породы.

Разработка горных пород и углей начинается с их разрушения и может осуществляться следующими способами:

механическим, когда рабочие органы сосредоточенным силовым воздействием рабочего инструмента (как правило, клинообразной формы) непосредственно отделяют породу от массива. Энергоемкость способа (расход энергии на единицу объема разрушенной породы) в зависимости от крепости породы, типа, размеров и крупности рабочего органа составляет 0,72— 6,12МДж/м3;

гидравлическим, когда порода отделяется от массива напорной струей воды, подаваемой из гидромонитора, или когда порода со дна водоема вместе с водой всасывается земснарядом. Энергоемкость разрушения породы напорной струей составляет 1,44—14,4 МДж/м3, а при работе земснаряда она в 1,5—2 раза меньше (без учета транспортирования); взрывным, когда породы разрушаются под давлением газов, выделяемых при воспламенении взрывчатых веществ. Энер-

гоемкость только бурения 1 м взрывной скважины составляет 14,4—36 МДж/м;

комбинированным способом разрушения, например, когда основное рыхление породы производится рыхлителем, а окончательное рыхление и захват разрушенной породы осуществляются механической лопатой, погрузчиком, скрепером, бульдозером или земснарядом.

Наибольшее распространение получил механический способ разрушения породы — до 85 % всего объема горных и земляных работ. Механический способ разрушения прочных пород при малой (до 5 м/с) скорости силового воздействия называется статическим, тогда как вибрационное, ударное, высокоскоростное и импульсное разрушения — динамическим.

Сопротивление разработке и устойчивость горных пород как основания, на котором стоит горная машина, определяются их физико-механическими свойствами. Поэтому ознакомление с фи- зико-механическими свойствами горных пород необходимо для знания теории их разрушения (подробное изучение физико-механических свойств пород является объектом горной науки «Физика горных пород»).

Ф и з и к о - м е х а н и ч е с к и м и с в о й с т в а м и г о р н о й п о роды называют совокупность свойств, из которых к физическим относят плотность, пористость, связность, липкость, пластичность, тепло- и электропроводность и другие, а к механическим — крепость, твердость, сопротивление вдавливанию, абразивность, разрыхляемость и другие, т. е. свойства, определяющие поведение горной породы в процессе деформации.

Свойства пород изменяются в широких пределах, поэтому принято объединять породы в группы и категории с определенным диапазоном свойств и характеристик (см. табл. 1.3).

Применительно к открытой разработке все горные породы подразделяют на группы: скальные и полускальные в естественном их состоянии; разрушенные (искусственно или естественно) скальные

и полускальные; плотные, мягкие (связные) и сыпучие. Рассматривая горные породы как объект разработки, надо отметить следующие наиболее характерные их свойства.

Крепость — сопротивление горной породы общему разрушению. Предположив, что если одна горная порода крепче другой по буримости в f раз, то и по всем остальным механическим характеристикам (взрываемости, пределу прочности на сжатие и др.) она будет в f раз превосходить ее, проф. М. М. Протодьяконов составил шкалу крепости, разбив все горные породы на десять категорий с коэффициентами от f=20 и более для I категории до f = 0,3 для X категории.

Ориентировочно коэффициент крепости f равен 0,1 предела прочности горной породы при одноосном сжатии σсж (МПа)*.

Хотя шкала крепости проф. М. М. Протодьяконова получила широкое распространение в горном деле, она недостаточно полно отражает физико-механические свойства горных пород. Существуют также классификации горных пород, приспособленные для частных случаев ведения горных работ применительно к различным классам машин. Например, имеется классификация горных пород по буримости, определяющая скорость бурения в них скважины глубиной 1 м. Согласно этой классификации, породы делятся на одиннадцать категорий.

Твердость — способность породы оказывать сопротивление проникновению в нее другого, более твердого тела, не испытывающего при этом каких-либо остаточных деформаций. Твердость породы характеризуется сопротивлением ее поверхностного слоя воздействию внешней силы (например, бурового инструмента). Статическая твердость горных пород, получаемая в результате приложения статических сил, обычно на порядок выше, чем динамическая. Это учитывается при создании бурильных и других машин, использующих эффект ударного и вибрационного воздействий на породу.

Плотность γ (кг/м3или т/м3) - отношение массы породы к ее объему при естественной влажности.

Связность определяется сцеплением отдельных частиц породы между собой и характеризует ее способность сопротивляться их разделению. От связности зависят прочность породы и ее сопротивление сдвигу, деформации и разрушению.

Угол естественного откоса φ 0, градус

Таблица 1.1.

Гранулометрический состав — процентное содержание по массе частиц различной крупности (размера). В горной породе по крупности куска различают: валуны и камни (220 мм и более), гальку и щебень (20—200 мм), гравий (2— 20 мм) и песчаные фракции (до 2 мм).

Угол естественного откоса φ 0 - угол у основания конуса, который образуется при отсыпке разрыхленной породы с некоторой высоты (табл. 1.1).

Величина угла φ0зависит от категории, коэффициента внутреннего трения μ2, гранулометрического состава связности и влажности породы. Для несвязных пород угол естественного откоса равен углу внутреннего трения φ2.

Устойчивость откоса будет обеспечена при нарушении сцепления между частицами породы, если

μ2= tgφ2≥ tgφ0

Коэффициент внутреннего трения породы μ2= 0,58 - 1,1.

Коэффициент трения породы о сталь μ1зависит от вида и состояния породы, а также от состояния поверхности стали и составляет 0,25 - 1,0, уменьшаясь с повышением влажности и степени нарушения структуры породы. Между коэффициентами μ2и μ1имеется связь, определяемая зависимостью μ1≈ 0,75 μ2.

Разрыхляемость — отношение объема разрыхленной породы к первоначальному ее объему (в целике). Величина коэффициента разрыхления Кр зависит от категории породы, параметров рабочего органа (уменьшаясь с их увеличением) и изменяется в пределах 1,05—1,5.

Горные породы, слагающие массив, после рыхления взрывом в зависимости от степени связи между смежными кусками (связности) имеют следующие коэффициенты разрыхления: связанные (Кр = 1,02 - 1,5), связно-сыпучие (Кр = 1,24 - 1,3) и сыпучие (Кр = 1,35 - 1,5). При транспортировании и многократной перевалке пород коэффициент их разрыхления обычно увеличивается и для сыпучих пород может достигать 1,7.

С о п р о т и в л е н и е п о р о д ы в д а в л и в а н и ю х а р а к т е р и зуется коэффициентом сопротивления смятию р0 (Н/см3или МПа/м), который определяется силой (Н), под действием которой стержень с опорной поверхностью торца 1 см2погрузится на 1 см. Допустимые давления под опорными поверхностями ходовых устройств горных машин устанавливаются с учетом воз- можного их погружения на 6 - 12 см в грунт и характеризуются средним давлением на грунт рср(МПа).

Величины коэффициентов сопротивлений различных пород смятию р0в зависимости от категории породы изменяются от 2 Н/см3(2 МПа/м) для мокрой глины и рыхлого песка до 13 МПа/м для сухих мергеля и плотной глины. Величины средних давлений ходовых частей машины на грунт могут достигать 0,5 МПа.

Абразивность — способность горной породы интенсивно изнашивать разрушающий ее инструмент. Вследствие износа нарушаются проектные условия взаимодействия машины с породой, существенно увеличиваются сопротивление породы копанию и энергоемкость разработки, возрастают нагрузки на машину. Поэтому при создании и эксплуатации горных машин обязательно должна приниматься во внимание абразивность. Испытание на абразивность заключается в истирании эталонного стержня об естественную поверхность породного образца. По величине показателя абразивности все прочные породы подразделяются на восемь классов: от весьма малоабразивных (известняки, мрамор, апатит) до высокоабразивных и в высшей степени абразивных (граниты, диориты и корундосодержащие породы).

Трещиноватость — наличие в горных породах трещин, образуемых при разрыве внутренних связей в породном массиве. Трещины с линейными размерами 8 - 10 см определяют со- противляемость пород бурению, измельчению в дробилках, выемке многоковшовыми экскаваторами, тогда как более протяженные трещины оказывают наиболее существенное влияние на выемку одноковшовыми экскаваторами, механическое рыхление и взрывное разрушение. При двух последних видах разрушения происходит разделение горной породы на структурные отдельно- сти (блоки, куски). В этом случае прочность породы в массиве См (по сцеплению) может оказаться на порядок меньше прочности породы в куске Ск(табл. 1.2). Снижение прочности породы в массиве характеризуется коэффициентом структурного ослабления λ, равным отношению См к Ск.

Сопротивление резанию — способность горной породы сопротивляться механическому воздействию, вызывающему в ней совокупность напряжений сжатия, растяжения и сдвига, преодоление которых завершается разрушением породы и отделением от массива кусков или слоев.

Подразделение пород по прочности

Таблица 1.2.

Сопротивление породы резанию условились выражать через коэффициент сопротивления

p

чистому резанию КF

(МПа), эквивалентному среднему давлению, которое развивается в зоне

разрушения при воздействии усилия (МН), приложенного через режущий элемент к поперечному сечению (м2) отделяемой им стружки или пласта породы.

p

Величина КF

изменяется в широких пределах, так как зависит от режима работы,

параметров рабочего органа и физико-механических свойств породы.

Сопротивление копанию является обобщенным сопротивлением, учитывающим сопротивления: резанию, продвижению горной массы в ковш при его заполнении и трения породы о ковш и ковша о породу. Оно характеризуется коэффициентом сопротивления копанию KF.

В качестве физико-механической основы сопоставления горных пород по трудности их разработки, зависящей только от свойств пород, акад. В. В. Ржевский рекомендует принимать относительный (безразмерный) показатель трудности разрушения породы Пр по эмпирической зависимости

Пр= 0,5Ктр(σсж+σсдв+σраст) + 0,5γ, (1.1)

где Ктр = 0,05 - 1,0 - коэффициент, учитывающий трещиноватость горных пород; (σСж =34 - 450, σСдв = 0,01 - 75, σраст = 0 – 43 - соответственно пределы прочности горных пород на сжатие, сдвиг и растяжение, МПа; γ= 1,2 - 4,8 — плотность породы, т/м3. Все горные породы, подвергаемые разрушению механическим способом, с точки зрения трудности разрушения делятся на пять

классов: I класс — легкоразрушаемые (Пp =1 - 5); II класс — средней разрушаемости (Пр =5,1 - 10); III класс — трудноразрушаемые (Пр =10,1 - 15); IV класс — весьма трудноразрушаемые (Пр =15,1 - 20); V класс — исключительно трудноразрушаемые (Пр =20,1 - 25). Породы с Пр >25 относятся к внекатегорным.

В зависимости от трудности разрушения пород «Едиными нормами и расценками» установлена классификация горных пород, состоящая из девяти групп, пять из которых разрабатываются без применения буровзрывных работ. Для каждой группы пород профессорами Н. Г. Домбровским и Ю. И. Беляковым были экспериментально установлены коэффициенты сопротивления копанию KF (МПа) основными видами экскавационного оборудования.

Грунты и полускальные породы в зависимости от прочности отнесены к I - VII категориям; угли - к III - VI категориям; скальные породы и руда - к V - VIII категориям; к внекатегорным отнесены породы, которые не могут разрабатываться экскаваторами без взрывных работ. После рыхления взрывом к I - IV категориям с соответствующими значениями коэффициента KF относятся различные породы при максимальном их разрыхлении. Величины KF соответствуют полублокированной схеме копания, а для взорванной массы - блокированной схеме.

Для одноковшовых экскаваторов величину KF в массиве для невскрытых горизонтов проф. Ю. И. Беляков рекомендует определять по зависимости KF= φ(См). Так, для аргиллитов, алевролитов, песчаников и углей для среза толщиной t=0,25 м и шириной b до 2 м им установлена зависимость вида (коэффициент корреляции r = 0,9)

KF = (1,54См + 0,17)μэ,

где См - см. табл. 1.2; μэ- коэффициент, учитывающий разницу во вместимости Е (м3) ковша (μэ изменяется от 1,1 до 0,7 при вместимостях ковшей Е от 2 до 20 м3).

Коэффициент сопротивления копанию KF(МПа) взорванных пород (f≥6) проф. Ю. И. Беляков рекомендует определять по уравнению

КF = 0,4 (2,8Kр-1- 3,9 + 1,4Кр)*(0,3S-1+ 9,2)*(0,4+3dср)*(1,1-0,9f-1)

где Кр – коэффициент разрыхления; S – глубина внедрения зубьев ковша, м; dср – средний линейный размер куска, м.

Для скальных и полускальных пород с плотностью γ = 1,8 - 2,4 т/м3, скоростью распространения продольных волн υпр= 500 - 3000 м/с величина KFаппроксимируется уравнением вида (r= 0,85)

КF=0,16 + 1,25·10-4γvпр

Для роторных экскаваторов могут быть рекомендованы средние величины текущих значений KF

=f(F), полученные экспериментально рядом исследователей для различных месторождений (рис. 1.1) и учитывающие отношение е толщины стружки t к ее ширине (ε=t/b). Для мягких и плотных пород, относительная плотность которых может быть охарактеризована числом ударов С плотномера конструкции ДорНИИ, проф. В. М. Владимиров рекомендует выражение вида (r = 0,86)

KF= 0,16 + 0,1C

при толщине и ширине стружки t = b= 0,25 - 0,3 м и числе ковшей на колее 8—10.

Для плотных и полускальных пород, а также крепких углей величину KF следует определять с учетом конкретных структурно-прочностных показателей пород в массиве (Ск, См, σсж и σраст) по выражению

KF = 125

раст

сж

(0,067 j 2+ См) m 2.

Величину KF можно также определить в функции Ск(см. табл. 1.2) и теоретической производительности экскаватора QT(м3/ч) с учетом максимально допустимого размера куска по- роды dcp в экскавируемой массе (для Ск≥ 0,5 МПа) из выражения

Qт

где значения коэффициентов А, В и D для dcp≤ 0,3; 0,5 и 0,7 м соответственно принимаются А = 0,5; 0,4 и 0,3; В = 0,15; 0,11 и 0,1; D = 40; 60 и 70.

Эффективность бурения взрывных скважин в первую очередь определяется скоростью бурения, которая зависит от способности породы разрушаться под воздействием бурового инструмента (основной фактор); от вида и формы бурового инструмента, а также способа, усилия и скорости его воздействия на забой скважины; диаметра скважины и в ряде случаев от ее глубины; способа, скорости и тщательности удаления из забоя скважины буровой мелочи, препятствующей разрушению породы.

Все перечисленные факторы определяют технологические параметры буровых станков.

Для сопоставления пород по буримости (механическим способом) по аналогии с формулой (1.1) относительный показатель трудности бурения породы Пб рекомендуется принимать исходя из эмпирического выражения

Пб= 0,07(σсж+σсдв) + 0,7γ, (1.2)

Все горные породы при механических способах бурения по аналогии с показателем Пр(см. формулу 1.1) и в соответствии с величиной Пбподразделяются по буримости на пять классов: I класс — легкобуримые (Пб =1 - 5); II класс — средней бури-мости (Пб = 5,1 - 10); III класс — труднобуримые (Пб= 10,1 - 15); IV класс — весьма труднобуримые (Пб = 15,1 - 20); V класс — исключительно труднобуримые (Пб= 20,1 - 25). Породы с показателем Пб>25 относятся к внекатегорным.

Удельное сопротивление горной породы разрушению при бурении шарошечным и шнекобуровым способами может быть оценено по среднему приведенному пределу прочности породы при разрушении механическим способом бурения σм. б (МПа) из выражения

σм.б= 0,5(σсж+σск)

или по справочнику.

Эффективность термического бурения горных пород в первую очередь определяется их склонностью к хрупкому термическому

разрушению и зависит от структуры, текстуры, прочностных, упругих и теплофизических показателей пород. Эти показатели определяют необходимые для разрушения породы тепловой поток и температуру. Количественно термобуримость характеризуется показателем термобуримости Пт.б (см3/кал) и температурой разрушения Тр(°С):

bтЕ у

Пт.б =

растСт

1,5 s

Тр = сж

(1 - g

п)

bтЕ у

где βТ - коэффициент линейного теплового расширения породы, 1/°С; Еу — модуль упругости, Па; СТ - объемная теплоемкость породы, кал/(см3°С); γп- коэффициент Пуассона.

Показатель Пт.б определяет объем разрушенной горной породы, приходящейся на единицу количества тепла (Пт.б составляет от 0,65 для хорошо термобуримых до 0,1 для труднотермо- буримых пород). Для оперативного нормирования буровзрывных работ пользуются классификацией по буримости.

Контрольные вопросы

1. Перечислите основные физико-механические свойства горных пород.

2. Относительный показатель трудности разработки.

3. Относительный показатель трудности бурения.

4. Относительный показатель трудности термобурения.

5. Коэффициент сопротивления пород резанию.

6. Коэффициент сопротивления пород копанию.

Литература

1. Подэрни Р.Ю. Горные машины и комплексы для открытых работ. В 2-х частях. М.: МГГУ,1999

2. Подэрни Р.Ю. Горные машины и комплексы для открытых работ. М.: Недра,1985.