МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА И КЛАССИФИКАЦИЯ ГОРНЫХ ПОРОД
Горные породы — агрегаты минеральных частиц, связанных между собой непосредственно силаіми молекулярного сцепления или посредством посторонних цементирующих веществ. В первом случае прочность связи меньше прочности самого кристалла и от прочности связи зависит прочность породы. Во втором случае цементирующее вещество определяет прочность породы, оно может быть слабее или прочнее основных частиц.
На прочность горной породы влияют также размеры зерен — чем они меньше, тем прочнее порода. При зернах размером > 1 мм влияние размера зерна менее заметно. Трещиноватость и слоистость уменьшают прочность горной породы.
Сопротивление горных пород сжатию велико и колеблется в довольно широких пределах даже для одной и той же породы, что объясняется различной крупностью зерен и структурой породы (табл. 10).
Некоторые осадочные породы анизотропны — их сопротивление сжатию различно в разных направлениях. Наиболее анизотропны глинистые сланцы. У. них сопротивление сжатию вдоль плоскости напластования составляет 0,5—0,75 величины сопротивления в направлении, перпендикулярном этой плоскости. •
Сопротивление растяжению и сдвигу у горных пород невелико и составляет от 2 до 10% величины сопротивления сжатию.
Горные породы — упруго-хрупкие тела, разрушаются в тот момент, когда напряжение достигает «редела упругости. При всестороннем сжатии прочность горных. пород значительно повышается (в 2—4 раза). Повышается и упругость их.
|
І Таблица 10
|
|
1 Давление 1 кГ/смг = 9,81 -10* н/м'*. |
Прочность горных пород изменяется, также, в зависимости от скорости приложения нагрузки. Л. А. Шрейнер [15] приводит данные (табл. 11), согласно которым при динамическом (ударном) вдавливании пуансона в породу сопротивление ее. в 8,4—8,7 раза меньше, чем при статическом. Это явление содействует эффективности ударно-вращательного бурения. Однако при очень больших скоростях приложения сжимающих нагрузок, что имеет место при взрыве, сопротивление горных пород сжатию, согласно экспериментальным данным Грина и Фоулиеа [14], в 10—12 раз больше, чем при статических нагрузках.
|
Таблица 11
|
При взрыве заряда ВВ в массиве горной. породы последняя разрушается не только от действия газов взрыва на стенки зарядной камеры, но также и от действия ударной волны, вызванной в породе в момент взрыва. Разрушающее действие ударной волны зависит от ее скорости и амплитуды. Последние зависят от величины импульса, переданного взрывом породе, и от акустической жесткости породы. Акустической жесткостью породы называется произведение объемного веса породы на скорость продольной волны в
|
Таблица 12
|
Массиве. Скорость продольной волны в скальных породах составляет 2000—5800 м/сек и может быть определена по формуле
|
|
(38)
Где W — скорость продольной волны, м/сек-, Е — модуль упругости породы, кГ/м2; g — ускорение силы тяжести, м/сек2-, р — плотность породы, кг/м3.
. Знание прочности и упругих характеристик горных пород позволяет определять затраты труда, энергии и материалов при производстве горных работ.
■В разное время <■ отдельными учеными и организациями были предложены различные методы классификации торных порой. Некоторые из них получили весьма широкое распространение. —
Проф. М. М. Протодьяконов в 1908 г.. опубликовал классификацию крепости пород, в основе-которой лежит их прочность на сжатие. Это была первая научнообоснованная классификация пород, позволившая подсчитывать затраты труда и материалов при ведении горных работ.
Согласно классификации проф. М. М. Протодьяконов а (табл. 12), горные породы разделены на десять категорий, причем категории III, IV, V, VI и VII имеют две подкатегории.
Коэффициентом крепости f проф. М. М, Протодьяконов назвал величину временного сопротивления сжатию, уменьшенную в
100 раз, т. е. / =7оо • Этот коэффициент характеризует относительную прочность породы и входит во многие эмпирические формулы, 'предложенные проф. М. М. Протодьяконовым [10].
При нормировании горных работ в СССР, кроме шкалы проф. М. М. Протодьяконова, применяют и другие шкалы классификации пород. Известны классификации Криворожского рудного бассейна, Гипроцветмета, Гиредмета, Главзолота, Союзвзрывпрома, Шах - тостроя и др. Большинство этих классификаций основано на показателях скорости рабочего процесса (скорость бурения) или износа рабочего инструмента (количество затупившихся буров при выбуривании 1 м шпура).
В табл. 3 приложения приведены некоторые из упомянутых шкал и сравнение их со шкалой проф. М. М. Протодьяконова.
Для увязки со шкалой проф. М. М. Протодьяконова упругих ^характеристик горных пород проф. А. Н. Ханукаев рекомендует 'породы с коэффициентом крепости от 1 до 8 относить к породам средней акустической жесткости (от 5 • 105 до 15 • 105 г/см3 ■ см/сек). Более крепкие породы, скорость продольных волн в которых составляет 4000 м/сек и более, относить к породам с большой акустической жесткостью (15 • 105 — 25 • 105 г/см3 • см/сек). В этих породах при разрушении их взрывом ударные волны имеют, по мнению А. Н. Ханукаева, первостепенное значение [17].
