Добыча и обработка природного камня

ОСНОВНЫЕ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ, ГОРНОТЕХНИЧЕСКИЕ И ГОРНОТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ. ОПРЕДЕЛЕНИЕ, МЕТОДЫ ОЦЕНКИ

Предел прочности при сжатии (осж, МПа) — критическое значение одноосного сжимающего напряжения, при котором пррисходит разрушение горной породы.

Предел прочности при растяжении (ар, МПа) — критическое значение одноосного растягивающего напряже­ния, при котором происходит разрушение горной породы.

Модуль упругости (Е, МПа)—коэффициент про­порциональности между действующим нормальным напряже­нием и соответствующей ему продольной упругой деформации.

Коэффициент относительных поперечных деформаций (V, МПа) — коэффициент пропорционально­сти между упругими, продольными и поперечными деформаци­ями при одноосной нормальной нагрузке (отношение относи­тельных поперечных деформаций к продольным).

Плотность (р, т/м3)—отношение массы горной породы в пределах какого-либо объема к ее объему.

Коэффициент пористости (е, доли единиц)—от­ношение объема всех пор горной породы в пределах какого - либо ее объема к этому объему.

Пористость (Р). Все горные породы в той или иной мере обладают пористостью. Общая пористость определяет прочностные и упругие параметры, обрабатываемость, долго­вечность, теплопроводность, полируемость, сцепление с раз­личными вяжущими, декоративность и ряд других качествен­ных показателей природного камня. С повышением общей по­ристости снижаются прочностные и упругие характеристики, плотность, полируемость, улучшается обрабатываемость по­роды, уменьшается масса изделий. По пористости породы под­разделяются на низ'копористые (Р<5%), среднепористые (5%<Р<20%), высокопористые (20%<Р<40%) и породы весьма высокой пористости (Р>40 %). Пористость бывает от­крытая и закрытая, которая практически не влияет на долго­вечность. Эффузивные породы обладают высокой закрытой пористостью. По размерам поры подразделяются на субкапил - лярные с радиусом менее 0,1 мкм, капиллярные радиусом от 0,1 до 1,0 мкм и сверхкапиллярные радиусом более 1 мкм. С увеличением субкапиллярных и капиллярных пор увеличи­вается водопоглощение, снижается долговечность породы.

Твердость — свойство горной породы оказывать сопро­тивление внедрению в нее другого, не получающего остаточ­ных деформаций, тела. Как правило, этим телом является острый режущий инструмент. Для определения твердости гор­ных пород применяется ряд методов (вдавливание пуансонов, царапание, шлифование и др.). Твердость минералов принято оценивать по шкале Мооса (табл. 1.3), в которой 10 эталон­ных минералов располагаются в определенном порядке, при котором каждый последующий минерал оставляет риску (ца­рапину) на предыдущем. По этой шкале высшая твердость присуща алмазу и соответствует 10 единицам, низшая — таль­ку и равняется единице.

Горный породы представляют собой совокупность минера­лов и их твердости является агрегатной, поэтому шкала Мо­оса для них малопригодна.

Для этого рекомендуется определять статическую и дина­мическую твердость пород. Статическую твердость можно определять методом Л. А. Шрейнера, основанном на хрупком выколе лунки в шлифованном образце горной породы под действием вдавливаемого штампа.

Разработанный в ИГД им. А. А. Скочинского метод Опре­деления контактной твердости является более простым по сравнению с названным выше. При определении твердости этим методом в нешлифованную поверхность породы вдавлива­ется цилиндрический штамп с плоским основанием и диамет­ром 2—3 мм. Контактная твердость породы определяется по ве­личине нагрузки в 'момент хрупкого разрушения (выкола), от­несенной к площади штампа.

При выборе размеров штампа необходимо стремиться к тому, чтобы диаметр рабочей части его более чем, в 3 раза превышал средний диаметр зерен породы. Если же испыты­ваются породы крупнообломочной структуры, определение контактной твердости производят для каждой компонентной составляющей отдельно.

Для испытаний отбирают образцы породы объемом не менее 150—200 см3, имеющих две примерно параллельные грани, или керны диаметром не менее 40 мм. Для избежания раскалывания образцов их толщина должна быть не менее 100—120 мм. Контактную прочность определяют на прессах. Нагружение осуществляют в один прием до появления • лунки выкола, которая фиксируется резким подъемом нагрузки от 60 до 100 %. Число опытов, производимых одним штампом, определяется твердостью породы и качеством штампа. При по­явлении на рабочей, поверхности штампа вмятин или выколов он снимается с испытаний.

Динамическую твердость можно устанавливать как в лаборатории на образцах, так и в полевых условиях в массиве пород. В первом случае применим метод Шора, при котором на испытуемую поверхность породы с определенной высоты сбрасывается боек со сферичным алмазным наконеч­ником. В качестве показателя твердости принимается высота отскока бойка. Твердость пород в забое устанавливают с по­мощью специальных ударников, измеряя величину энергии, затрачиваемую на внедрение пуансона определенной длины в породу. К таким ударникам относится ударник конструкции ДорНИИ.

Вязкость — сопротивление породы силам, стремящимся разъединить ее частицы. Степень вязкости оценивается вели­чиной сил сцепления между частицами породы. Показатель вязкости пропорционален сопротивлению породы силам, стре­мящимся разъединить ее частицы. Вязкость зависит от со­става горной породы, структуры, текстуры, состава и количе­ства цементирующего вещества и содержания в породе влаги.

Показатель вязкости характеризуется отношением преде­лов прочности на сжатие и растяжение, пределом прочности на сдвиг и определяется пластическими свойствами породы. В неоднородных породах, а иногда и в однородных, вязкость в различных направлениях неодинакова. Общепризнанного метода определения - вязкости не существует.

Так как вязкость прямо пропорциональна произведению пластичности породы на ее прочность, то согласно предложе­ний В. В. Ржевского, эту величину можно принять в качестве физического аналога вязкости пород:

-В “ &пл £^сж — .Ё'Осж/^'деф-

Хр у п ко сть — свойство горной породы сравнительно легко ломаться, рваться при статической нагрузке без проявления заметной остаточной деформации. Породы являются хруп­кими, если вплоть до момента ее разрушения деформации про* порциональны приложенной нагрузке. Для хрупко-пластиче­ской породы закон Гука соблюдается только в пределах не­большого участка первоначальных деформаций. Большинство горных пород (в том числе наиболее крепких) относятся к хрупко-пластическим телам. Хрупкость многих горных пород при существующих способах разрушения зависит также от скорости приложения нагрузки. Если скорость возрастания нагрузки превышает максимально возможную для данной по­роды скорость пластического течения, то происходит ее хруп­кое разрушение. Коэффициент хрупкости характеризует хруп­кие свойства пород.

Так,- предложенный в ИГД им. А. А. Скочинского коэффи­циент хрупкости £хр представляет собой отношение работы

Деформации в чисто упругой области (Лу) к полной работе (Ап):

&хр” Лу/Ап ^ 1.

По В. В. Ржевскому коэффициент хрупкости представляет со­бой величину, обратную коэффициенту пластичности

&хр — 1/^пл = £да*/Е.

Абразивность — способность горной породы изнаши­вать при трении металлы, твердые сплавы и другие твердые тела. Абразивность оценивают по износу материала, контак­тирующего с горной породой. Высокую абразивность имеют породы с остроугольным включением кварца, вулканического стекла и упругих абразивных элементов. Абразивные свойства пород увеличиваются с возрастанием твердости минеральных зерен и их размеров. Абразивность оценивают коэффициентом абразивности, который определяется по формуле

&аб “ ДУс'/Л

Где ДУС — износ материала кольца, приходящийся на 1 м пути, см/м; Г — усилие с которым прижимается кольцо к породе, кН.

Показатель абразивности, устанавливаемый по методике ИГД им. А. А. Скочинского, определяется по формуле

Где 01 и (?2—масса стержня соответственно до и после одного парного опыта, мг.

Способ определения абразивности горных пород, предло­женный Л. И. Бароном, позволяет определить относительную абразивность горных пород по износу цилиндрических сталь­ных стержней при трении их об необработанную поверхность образца исследуемой породы. Износ стержня и изменение его массы определяется путем взвешивания его до и после опыта на аналитических весах.

Анализ большого числа опытов, выполненных на различ­ных породах, показал следующее:

Показатели абразивности, определенные по данному ме­тоду, хорошо коррелируют с расходом буровой стали и твер­дого сплава в производственных условиях! ,

Колебания показателей абразивности примерно такие, как у показателей временного сопротивления тех же пород одно­осному сжатию;

Горные породы по абразивности целесообразно разделить на шесть классов, которые приведены в табл. 1.4.

В. В. Ржевским предложен обобщающий показатель для характеристики горных пород — трудность разрушения. Дан­ные, характеризующие этот показатель, приведены в табл. 1.5.

Б у р и м ость —степень сопротивляемости породы разру­шению буровым инструментом.

В качестве показателей буримости принимают либо глу­бину шпура, пробуренного за 1 мин чистого бурения при стан­дартных условиях, либо количество чистого времени бурения 1м шпура при тех же стандартных условиях. Так как показа­тели буримости зависят не только от физико-механических свойств породы и геометрии бурового инструмента, но и от режима работы (энергии удара, числа оборотов, осевого уси­лия, качества и интенсивности промывки или продувки и др.), то буримость породы определяется применительно к каждому виду бурения и типу бурового инструмента. Измеренную ве­личину буримости можно применять только к определенному буровому инструменту и к определенному классу и типу по­род. На основании показателей буримости, полученных в раз­личных стандартных условиях» составлены различные шкалы буримости. , ■

В связи с различием стандартных условий и соответственно шкал буримости, для перехода от одной шкалы к другой, а также от нестандартных условий бурения к стандартным,

Катего­

Рия

I. Полускальные, плотные и мягкие легкоразрушаемые

1. Скальные легко­разрушаемые

2. Скальные сред­ней трудности раз­рушения

3. Скальные труд - норазрушаемые

Супеси, суглинки, аргиллит, глина, мергель, уголь бурый, алевролит, слабый песчаник Сланец песчанистый, фосфоритовая руда, уголь, антрацит

Сульфидная руда, периодолит серпентизиро - ванный, пироксенит, глинистый доломит, си­дерит

Известняк; порфирит ороговикованный, инги - дрит, песчаники, габбро-норит, мартит пори* стый

Песчаник серый, аргиллит тонкозернистый, пор фирит диабазовый, доломит, апатитонефелино вая руда

Известняк, скарн маг нетито-гранатовый, квар цит ожелеэненный пористый, перидотит серпен тизированный, сиенит-порфир Порфирит эпидотиэированный, базальт, фос форит, гранит средне - и крупнозернистый, диа баз, пегматит, скарны

Гнейс гранито-биотитовый, гранито-порфир, кварцит железистый, гранито-гнейс, мергель кремнистый, доломит оруденелый

Магнетитовая руда, роговик оруденелый гра­натовый скарн, лабрадорит, гранато-магнетито - вый скарн, песчаник окремнелый Гранит мелкозернистый, кварцит, диорит, до - лер ит

Габбро'Диабаз,. брекчия роговиково-кварцевая, гнейс, гранит мелкозернистый, пироксено-гра - натовый скарн

Габбро, гранит, кварцевый о порфир, уртит, андезит, песчаник оруденелый Кварцит безрудный, сиенит-порфир, скарн Базальт лабрадоровый, кварцит

Скарн скалолитовый, диорит-порфирит, андези - товый порфирит, роговик, скарнированный пи­роксеном

Песчаник, диорит-порфирит

Нефриты, микрокварциты очень плотные слив­ные, скарны интенсивно окременелые, кварц сливной, неизменные сливные андезиты, ба­зальты, джеспилиты, кремень

Применяют общий поправочный коэффициент, определяемый по формуле

К0б =

Где кур — коэффициент, учитывающий влияние массы и мощ­ности бурильной машины на скорость бурения; — коэффи­циент, учитывающий изменение давления сжатого воздуха в бурильной машине р Ар — коэффициент, учитывающий из­менение диаметра головки бура I); — коэффициент, учиты­

Вающий влияние глубины шпура А; Аф — коэффициент, учиты­вающий форму головки бура; к$ — коэффициент, зависящий от качества закалки (табл. 1.6 и 17).

В качестве показателя буримости пород при вращательном бурении часто применяется показатель энергоемкости разру - _ шения, который представляет расход энергии на выбуривание 1 м шпура

М 1рбур ~ ^/«ср,

Где № — средняя нагрузка на электродвигатель сверла; аСр — средняя скорость бурения.

С целью расширения области применения показателя бу­римости пользуются расчетным показателем, который получил название показатель трудности бурения Пб (табл. 1.8). Все горные породы по величине П§ подразделяются на 25 катего­рий с выделением пяти классов. Породы с показателями Пь>25 относятся к внекатегорийным.

Т, ермобуримость. В последние годы в нерудной про­мышленности все более широкое применение находит терми­ческое бурение. Оно «происходит путем «шелушения», хрупкого отделения от нагреваемой поверхности небольших пластинок породы. Наиболее эффективно разрушаются породы, в состав которых входят минералы с различными коэффициентами теп­лового расширения и связанные цементирующим составом противодействующим расширению минеральных зерен. Согласно шкалы термобуримости все горные породы разделены на три категории, каждой категории соответствует предел изменения критерия термобуримости Ятб (табл. 1.9).

Взрываемость — сопротивляемость горных пород разру­шению при взрывании.

Сопротивляемость пород взрыванию оценивается на прак­тике удельным зарядом эталонного ВВ, т, е. потребным расхо­дом ВВ на разрушение 1 м3 породы в массиве. Степень дроб­ления породы взрывом зависит прежде всего от ее сопротивле­ния действию взрыва, что характеризуется удельным расходом ВВ (г/м3), необходимым для достижения заданного эффекта дробления дэ

Цэ = 0,1 кт (Сеж 4- тсдв + <7р) -{- 40у,

Глина сланцеватая, галечно-щебенистые породы, мергель глинистый, угли мягкие, песок, супесь, торф

Алевролиты и аргиллиты слабоцементирован - н&е, вывегрелые доломиты, известняки оталь - кованные, сланцы углистые, гипс пористый, жирные глины

Алевролиты плотные глинистые, гипс плотный, доломиты неизмененные, мартитовые и другие железные руДы мягкие, известняки мягкие, глины отвердевшие, угли выше средней кре­пости

Алевролиты песчано-глинистые, антрациты и другие крепкие угли, колчеданы зоны вьпцела* чивания, свинцово-цинковые окисленные руды, совершенно выветрелые каолинизированные граниты

Гипсоангидрит, руды бурожелеэняковые, со - литовые, сильно выветрелые граниты, дуниты, амфиболиты, доломиты плотные, руды гемати - товые и мартитовые, сульфидные свинцово - цинковые и медно-никелевые руды Кварцево-карбонатные породы, фосфориты пла­стовые, песчаники аркозовые, андезиты крупно­зернистые выветрелые

Габбро измененные, скарны выветрелые, анде­зиты среднезернистые выветрелые Крупнозернистые гнейсы, граниты, гранодио­риты, диабазы, сиениты среднезернистые, змее­вики плотные

Среднезернистые граниты и гранодиориты, ам­фиболиты мелкозернистые, альбитофиры неиз­мененные, мрамор, сланцы аспидные Доломиты окварцованные, песчаники мелко­зернистые, альбитофиры кварцевые, габбро- амфиболиты

Базальты пористые, габбро и гнейсы средне­зернистые, песчаники кремнистые Базальты среднезернистые, гранодиориты, аль­битофиры плотные кварцевые, грейзены средне­зернистые

Роговики железистые, диориты мелкозернистые, андезиты плотные, гнейсы биотитовые, базальты мелкозернистые, железистые руды мелкозерни­стые магнетито-гематитовые Скарны окремненные, микрограниты, альбито­фиры сильноокварцованные мелкозернистые, весьма плотные андезиты

Кремень, кварц сливной, микрокварциты очень плотные сливные, скарны интенсивно окоем - ненные, неизменённые сливные андезиты

Где £т=1,2 /ср+0,2 — коэффициент, учитывающий расход энер­гии взрыва, расходуемой на преодоление собственного веса и сообщение кускам некоторого запаса кинетической энергии; /ср — средний линейный размер естественной отдельности.

Приведенный показатель служит основой классификации пород по взрываемости (табл. 1.10).

Следует учитывать, что взрывные работы на карьерах по добыче природного камня осуществляются направленными взрывами, обеспечивающими раскол камня только в требуе­мом направлении, поэтому конкретный расчет заряда ВВ осу­ществляется по специальным методикам.

Обрабатываемость. В зависимости от минералогиче­ского состава, петрографического строения, пористой струк­туры, определяющих твердость и прочностные характеристики пород, природные облицовочные камни обрабатываются с раз­личной степенью трудности.

В целях отражения трудоемкости обработки камня в кам - необработке существует технологическая классификация, в ос­нову которой положена твердость основного породообразую­щего минерала, составляющего основную массу порйды.

Природные облицовочные породы по трудности их обра­ботки разделяются на следующие три основные группы: твер-' дые, средней твердости и мягкие (табл. 1.11).

Кварцесодержащие породы (кварциты, граниты, гранодио - риты и др.) подвергаются обработке термогазоструйным мето-

Дом. Трудоемкость термогазоструйной обработки зависит от степени кристаллизации породы и содержания кварца в ней.

Согласно классификации НИИКС горные породы по обра­батываемости термогазоструйным инструментом подразделя­ются на три класса: легкообрабатываемые, к которым от­носятся крупнозернистые породы с хорошо выраженными кристаллами кварца и прочностью при сжатии 120— 150 МПа;

Породы средней обрабатываемости, с содержанием кварца до 30 % и пределом прочности при сжатии до 200 МПа;

Труднообрабатываемые породы, содержащие кварца до 20% , а их предел прочности при сжатии составляет 200 МПа и свыше.

П олируемость. Породы классифицируются на поли­руемые и неполируемые. Каждой породе характерен предель­ный блеск, после достижения которого качество полировки в процессе обработки не улучшается.

Полируем ость пород до достижения ими предельного блеска по блескойеру НИИКС-М приведена ниже. За эталон принят мрамор Коелгинского месторождения, как имеющий наиболее предельный блеск и легко воспринимающий полировку.

Граниты.............................................................................. 135—160

Базальты. ............................................................................. 80—128

Вулканические туфы........................................................................... Не полируются

Известняки..................................................................................... 115—160

Мраморы. . . .................................................................................. 135—190

Песчаники............................................................ ......................... Не полируются

Кварциты....................... Хорошо прини­

Мают полировку

Гипсовые породы............................................................................... Хорошо прини­

Мают полировку

К породам, не принимающим полировку, относятся, как правило, породы крупнопористой и пузырьчатой текстуры, в минералогическом составе которых преобладают неполи - рующиеся минералы (глинистые, окиси железа, алюмосили­каты, рудные минералы и им подобные). К разряду этих пород относятся вулканические туфы, некоторые известняки и песча­ники.

К полируемым породам относятся породы группы грани­тов» мраморов, кварцитов, поянокристаллических плотных раз­новидностей известняков и базальтов, гипсовые породы и пес­чаники с кварцевыми цементами.

Полируемые облицовочные породы по категориям поли - руемости разделяются на четыре группы (табл. 1.12). За эта­лон принят предельный блеск в 200 относительных единиц.

Неполирующиеся разновидности камня условно могут быть отнесены к IV категории полируемости.

Долговечность характеризуется стойкостью пород против действия различных разрушающих факторов, основ­ными из которых являются морозное, солевое, химическое и механическое выветривание, попеременное увлажнение и вы­сушивание, а также попеременное воздействие температуры при абсолютном отсутствии влаги.

В настоящее время для определения долговечности камня применяется метод Гиршвальда. Этот метод базируется на ре­зультатах петрографических анализов, а исходным расчетным показателем долговечности служит так называемое «качест­венное число по структуре». Это число определяется с учетом минералогического состава, характера сцепления зерен, нали­чия микротрещин и пор, степени свежести минеральных ком­понентов. Испытания на долговечность проводят на попере­менное замораживание и оттаивание, увлажнение и высуши­вание как в воде, так и в растворе сернокислого натрия.

Существующая классификация качественных характери­стик подразделяет облицовочные камни на весьма долговеч­ные, долговечные, относительно долговечные и недолговечные. К весьма долговечным относятся кварциты, 'мелкозернистые граниты и со сверхкапиллярной пористостью базальты. К дол­говечным — крупнозернистые граниты, сиениты, диориты, габ­бро, лабрадорити, плотные, песчаники, известняки и туфы, к относительно долговечным — андезиты, дациты, белые мра-

Моры, пористые известняки и песчаники. К недолговечным от­носятся фельзитовые туфы, гипсы, конгломераты, брекчии и цветные мраморы.

Истираемость. Строительные горные породы, приме­няемые для устройства лестниц, полов,: площадок - подверга­ются истиранию, поэтому все горные породы,, применяемые в облицовке истирающихся конструкций, подразделяются на четыре группы в зависимости от абсолютных значений истира­емости на связанном карборундовом - абразиве и - натурногб износа от интенсивности человеко-потока в миллиметрах на единицу ширины конструкции. Разделение пород по классифи­кационным признакам истираемости приведено в табл. 1.13.

Некоторые другие характеристики горных пород приведены в табл. 1.14.