Физико-механические свойства горных пород

Физико-механические свойства горных пород Бурильные машины и установки

Основные свойства горных пород можно подразделить на следующие две группы:

  1. Физические свойства — плотность, пористость, влагоемкость, теплопроводность, проводимость звука, электрического тока и др.
  2. Механические свойства — прочность, упругость, пластичность, крепость, твердость, контактная прочность, абразивность.

Механические свойства

Наибольшее влияние на конструкцию бурильных и горных машин оказывают механические свойства горных пород.

Прочность

Прочность — одно из основных механических свойств горных пород, она характеризует их способность в определенных условиях воспринимать те или иные силовые воздействия, не разрушаясь.

Критериями прочности являются временные сопротивления одноосному сжатию (ОСЖ), растяжению (0р), сдвигу (т). Наибольшее сопротивление горные породы оказывают сжатию, меньшее — сдвигу и наименьшее — растяжению.

Упругость

Упругость — свойство горной породы восстанавливать свои первоначальные форму и объем по прекращению действия внешних сил. Упругие свойства характеризуются модулем упругости и коэффициентом Пуассона.

Пластичность в противоположность упругости — свойство породы сохранять остаточную деформацию после прекращения действия внешних сил.

Крепость

Крепость — способность породы сопротивляться разрушению от действия внешних сил при различных технологических процессах разрушения (бурение, резание, взрывание и др.).

Крепость зависит от:

  • прочности,
  • твердости,
  • вязкости,
  • упругости,
  • минералогического состава и структуры породы,
  • трещиноватости и других факторов.

Впервые необходимость совокупной количественной оценки сопротивляемости пород разрушению для целей ведения горных работ была обоснована проф. М.М. Протодьяконовым (старшим), создавшим известную шкалу относительной крепости горных пород.

За единицу крепости (F = 1) была выбрана порода с временным сопротивлением одноосному сжатию, равным 10 МПа, при раздавливании на прессе породного кубика.

Все горные породы разделены на десять категорий:

с коэффициентом крепости от F = 20 для первой категории (наиболее крепкие, плотные и вязкие кварциты и базальты и др.) до F =0,3 для десятой категории (плывуны, разжиженный грунт и др.).

Коэффициент относительной крепости F есть интегральная характеристика прочностных свойств горных пород.

Были предложены и другие методы количественной оценки сопротивляемости пород разрушению, более соответствующие конкретным способам их механического разрушения.

Для нормирования буровых работ используют шкалы буримости горных пород, под которой понимается обычно степень трудности их разрушения (скорость бурения) в определенных условиях и определенными типами бурильных машин.

Шкала буримости пригодны обычно для использования только в пределах определенного района.

Твердость

Твердость — это способность горной породы сопротивляться местному разрушению при вдавливании в нее инструмента или индентора.

Для характеристики сопротивляемости горных пород разрушению инструментами породопроходческих комбайнов (резцами, шарошками) в настоящее время используют показатели контактной прочности и абразивности пород.

Контактная прочность

Контактная прочность породы рк (МПа) определяется по методу Л.И. Барона и Л.Б. Глатмана путем вдавливания цилиндрического индентора (штампа) диаметром 2 — 5 мм в естественную (не шлифованную, как при определении твердости) поверхность образца породы.

По контактной прочности породы относятся к шести категориям:

слабые (до 400 МПа),

  • ниже средней крепости (400—650 МПа),
  • средней крепости (650-1250 МПа),
  • крепкие (1250-2450 МПа),
  • очень крепкие (2450-4500 МПа),
  • крепчайшие (более 4500 МПа).

Абразивность

Абразивность — свойство горной породы изнашивать при трении о нее металлы, твердые сплавы и другие твердые тела.

Она определяется по методу, предложенному Л.И. Бароном и А.В. Кузнецовым, путем истирания торцов стального стержня-эталона диаметром 8 мм о необработанную поверхность образцов породы при постоянной частоте вращения стержня 6,7 с-1 и осевой нагрузке 150 Н.

Время истирания каждого торца стержня-эталона составляет 600 с. За показатель абразивности породы а принимается уменьшение массы истираемого стержня в миллиграммах, определяемое взвешиванием стержня до и после его истирания на аналитических весах.

Авторами метода предложена шкала абразивности, согласно которой все горные породы разбиты на восемь классов с показателями абразивности:

  • от а < 5 мг — весьма мало абразивные породы (известняк, мрамор, апатит, каменная соль и др.),
  • до а > 90 мг — в высшей степени абразивные (корундосодержащие породы).
 Класс абразивности Класс пород Показатель абразивности (стирание стержня, мг) Характерные породы
I Весьма малоабразивные до 5  Известняки, мраморы, мягкие сульфиты без кварца
(галенит, сфалерит, пирротин), апатит, каменная соль
II Малоабразивные 6 — 10 Сульфидные руды, барито-сульфидные руды (аргилипты),
мягкие сланцы (углистые, глинистые, хлоритовые, хлорито-аспидные)
III Ниже средней абразивности 11 — 18 Джеспилиты, роговики (рудные и нерудные), кварцево-сульфидные руды, магматические тонкозернистые породы,
песчаники кварцевые и аркозовые тонкозернистые, руды железные, известняки окременные
IV

Среднеабразивные

19 — 30 Песчаники кварцевые и аркозовые, мелкозернистые диабазы, крупнозернистый пирит, арсенопирит, жильный кварц,
кварцево-сульфидные руды, мелкозернистые магматические породы, окварцованные известняки, джеспероиды
V Высшей средней абразивности 31 — 45 Песчаники кварцевые и аркозовые, средне- и крупнозернистые, плагиограниты, нефелиновые сиениты,
мелкозернистые граниты, мелкозернистые диориты, порфирита, грейзены, габбо, гнейсы, скарны (рудные и нерудные)
VI Повышенной абразивности 46 — 65 Средне- и крупнозернистые граниты, диориты, гранодиориты, порфириты, нефелиовые сиениты,
сиениты, кератофиры, пироксениты, монцониты, амфиболиты, сланцы кварцевые и окварционные, гнейсы
VII Высоко абразивные 66 — 90 Порфириты, дориты, граниты, гранитоидые нефелиновые сиениты
  VIII В высшей степени абразивные Свыше 90 Корундосодержащие породы

Сопротивляемость углей резанию

Для целей расчета нагрузок на рабочем инструменте машин, производящих разрушение углей, ИГД им. А.А. Скочинского предложено определять сопротивляемость углей резанию непосредственно в забоях с помощью специальных приборов.

В качестве показателя сопротивляемости угля резанию А.И. Бероном и Е.З. Позиным принято приращение силы резания на единицу глубины резания установкой ДКС в эталонном режиме (резание с выровненной поверхности резцом шириной 20 мм с параллельными боковыми режущими кромками и углом резания 50°).

А = Zh , где

  • А — показатель сопротивляемости угля резанию, кНм;
  • Z — средняя сила резания, кН;
  • h — глубина резания, м.

Для проведения массовых замеров сопротивляемости углей резанию в шахтных условиях ИГД им. А.А. Скочинского было создано также динамометрическое сверло СДМ-1.

Показатели сопротивляемости угля резанию, определенные с помощью СДМ-1, обозначаются А в отличие от А для установки ДКС и находятся из выражения:

А = М/(2rсрh), где

  • М — среднее значение момента сопротивления, зафиксированное на ленте самописца динамометрического сверла, кНм;
  • rср = 0,026 м — средний радиус резца;
  • h — глубина резания (толщина среза), м.

Различают:

  • сопротивляемость угля резанию в не отжатой зоне массива пласта — А, кН/м;
  • сопротивляемость угля резанию в зоне работы исполнительных органов выемочных горных машин (с учетом отжима угля) — Ав, кН/м;
  • сопротивляемость пласта резанию с учетом породных прослойков и включений — А , кН/м.

Классы сопротивляемости по резанию и разрушаемости

Согласно классификации, предложенной ИГД им. А.А. Скочинского, различные типы углей подразделяют на восемь классов по сопротивляемости резанию: — от 1-го (А до 60, кН/м) до VIII-го класса (А = 421 и более кН/м).

Семь категорий по разрушаемости:

  • учитывающей величину сопротивляемости резанию и вязкость углей,
  • весьма слабые (ВС),
  • слабые (С),
  • средней крепости (СК),
  • выше средней крепости (ВСК),
  • крепкие (К),
  • весьма крепкие (ВК),
  • особо крепкие (ОК) угли.
Оцените статью
Горные машины - спецтехника