В онлайне: 2 (гостей - 2, участников - 0)  Вход | Регистрация

 

УДК 622.023: 622.026

Изменчивость физико-механических свойств горных пород

 

Рюхина А.Р. студентка 2 курса

Научный руководитель: Поляков А.В., д.т.н., профессор

Тульский государственный университет, Россия

 

 

Рассмотрен вопрос о свойствах горных пород как одного из важнейших факторов горнодобывающих машин. Представлен критический анализ результатов исследований свойств горных пород и подходов к их определению. Дано описание свойств горных пород используемых для расчета исполнительных органов горных машин.

 

Введение

Развитие горнодобывающих промышленности, а также исследования новых проблемных вопросов горной науки требуют обстоятельных, глубоких знаний о свойствах и состоянии горных пород. В последние годы и даже десятилетия область горной науки, занимающаяся изучением горных пород и полезных ископаемых применительно к задачам горного дела, практически не развивалась.

Основные и довольно серьезные успехи в разработке лабораторных и производственных методов исследования физико-механических свойств горных пород выполнены в основном в 50 - 80 годах 20 века в ряде научно-исследовательских, академических и отраслевых институтов, таких, как Институт физики Земли АН СССР, Институт горного дела им. А. А. Скочинского, ВНИМИ, Институт геологии и разработки горючих ископаемых, ИГД СО АН СССР, ДонУГИ, ИГД АН Каз.ССР и многих других, в геологических институтах и геологоразведочных управлениях, почти во всех учебных институтах горного профиля (Московском горном институте, Ленинградском горном институте и др.). В периодической специальной литературе были опубликованы многочисленные статьи, посвященные исследованиям свойств горных пород как объектов разрушения и как исходных факторов при изучении сложных вопросов механики горных пород. (см. например [1 - 5]).

 

Теория вопроса

Физико-механические свойства горных пород являются одним из важных факторов, определяющих конструктивные особенности горнодобывающих машин, их производительность, параметры систем разработки полезных ископаемых, характер различных производственных процессов при добывании полезных ископаемых и их переработке, а также при проведении горных выработок различного назначения. Отметим, что знание свойств пород необходимо не только при добыче полезных ископаемых, но и при строительстве различных зданий, возведении гидротехнических сооружений, проведении туннелей, строительстве дорог и т. д.

До настоящего времени среди некоторых инженеров и проектировщиков существует мнение, что механические свойства горных пород являются “техническими константами”, а задачей лабораторий исследования физико-механических свойств является измерение этих констант.

В действительности представление о показателях свойств пород как о константах не отвечает современному уровню знании о поведении пород при механическом нагружении, и его следует признать устаревшим.

Опыт показывает, что если из одного блока породы выбурить керны, изготовить серию образцов одинаковых размеров и формы и испытать их, например, на сжатие, то прочность каждого из испытанных образцов будет различной. Различие полученных величин прочности образцов одной и той же породы вызвано неоднородностью пород и несовершенством подготовки и испытания образцов.

Одни из этих причин вызывают систематические отклонения прочности, другие - случайные. Последние направлены либо в сторону увеличения, либо в сторону ее уменьшения. Систематические ошибки обычно выявляются и исключаются, случайные – входят в конечный результат.

Таким образом, прочность на сжатие в данном примере должна, рассматриваться как величина случайная. Аналогичное положение имеет место и при определении других прочностных характеристик горных пород.

Знать случайную величину совсем не значит знать только среднее ее значение. Надо знать еще диапазон ее изменения и вероятность появления различных ее значений.

В результате экспериментальных работ установлено, что прочностные и деформационные характеристики пород изменяются в зависимости от условий нагружения, размеров и формы образцов, температуры, влажности и пр. [6, 7]

Механические характеристики горных пород являются функциями многих факторов. В первом приближении достаточно выделить четыре группы таких факторов:

- факторы, зависящие от материала (структура, текстура, минералого-петрографический состав, крупность зерен, состав и свойства цемента и др.);

- особенности испытываемых образцов (абсолютные размеры, форма, условия на контактах);

- внешняя среда (влажность, температура);

- характер механического нагружения.

Свойства горных пород, имеющие существенное значение для технологии их разработки предложено именовать горно-технологическими свойствами. Вряд ли требуется разъяснять, что такие свойства составляют особый комплекс. По аналогии вполне обоснованно могут быть выделены комплексы свойств иного прикладного назначения, например, для технологии обогащения.

Известно, что горные породы, как объекты воздействия разрушающего инструмента, по своим свойствам несравненно менее стабильны, чем, например, металлы, а потому сопротивляемость горных пород разрушению гораздо труднее поддается необходимой для инженерных расчетов количественной оценке. Поэтому неизмеримо более сложен, чем для металлов, и прогноз поведения горных пород при различных параметрах нагружения, хотя подобный прогноз необходим для выбора оптимальных режимов работы разрушающих устройств.

Классифицировать характеристики горно-технологических свойств (горно-технологические характеристики) пород целесообразно следующим образом. Прежде всего эти характеристики следует разделить на два основных вида в зависимости от того, относятся ли они к горной породе в массиве (в монолите, в целике) или к породе, отделенной от массива (сыпучей, раздробленной).

Для целей горной технологии породы в массиве характеризуют главным образом в следующих двух аспектах, существенно различных по физическому и горнотехническому смыслу: 1) как объекты разрушения при добывании; 2) как элементы конструкций горных выработок. По этому признаку первый вид горно-технологических характеристик рационально разделить на два подвида.

Поскольку данная работа посвящена разрушению горных пород, характеристики второго подвида, необходимые для расчетов по горному давлению и поддержанию выработок, рассматривать, пока, не будем. Для разделения же первого подвида на классы логично принять в качестве классификационного признака способ разрушения: механическое, взрывное, гидравлическое, термическое, электрофизическое и т. д.

Среди горно-технологических характеристик второго вида (горных пород, отделенных от массива) наиболее важны следующие: характеристики гранулометрического состава (кусковатости), характеристики разрыхления, характеристики трения (внутреннего и внешнего), характеристики абразивности.

Непосредственно интересующих нас характеристик свойств пород в массиве, как объектов разрушения механическими способами, рационально выделить две группы: первую составят основные для рассматриваемого класса характеристики сопротивляемости пород различным способам механического разрушения, вторую - прочие физико-технические характеристики.

Первую группу целесообразно разделить на две подгруппы по признаку скорости приложения нагрузки при том или ином способе механического разрушения. К первой подгруппе отнесем характеристики сопротивляемости пород способам разрушения с относительно небольшими скоростями приложения нагрузок (например, резанию или разрушению шарошечным инструментом), ко второй - способам разрушения, при которых скорости нагружения значительны (разрушение ударом).

Во второй группе следует выделить тоже две подгруппы. В первую войдут физико-технические характеристики пород, применяемые при расчетах процессов механического разрушения, но не специфичные для этих процессов (например, плотность, пористость, упругость и т. п.). Условно назовем такие показатели общими физико-техническими характеристиками. Вторую подгруппу составят физико-технические характеристики, специфичные для процессов механического разрушения. Таковы, например, характеристики абразивности, понимаемой как способность горной породы изнашивать контактирующий с этой, породой разрушающий инструмент в процессе трения, характеристики трения пары “инструмент - горная порода” и некоторые другие. Условимся называть такие показатели физико-механическим характеристиками.

В соответствии с принципом инвариантных корреляционных соотношений для оценки сопротивляемости горных пород разрушению следует применять интегральные показатели [8 - 10]. Такие показатели комплексно характеризуют сопротивляемость породы разрушающим воздействиям при том или ином процессе, вызывающем разные виды элементарных напряжений. В горном деле подобные интегральные характеристики сопротивляемости пород принято называть показателями крепости. Не следует путать их с показателями прочности пород, характеризующими сопротивляемость последних к отдельным видам элементарных деформаций и являющимися поэтому не интегральными, а частными характеристиками. Необходимо, однако, отметить, что такой показатель прочности, как временное сопротивление одноосному сжатию и растяжению , определенное на образцах различных форм и размеров, успешно используется также в качестве интегральной характеристики сопротивляемости породы разрушению. Например, по величине чаще всего устанавливают значение коэффициента крепости данной породы по шкале проф. М. М. Протодьяконова.

Существует два общих требования ко всякому методу испытания горных пород на сопротивляемость разрушению:

1) при повторении опыта на одних и тех же объектах результаты должны быть возможно более сходными;

2) для горных пород, различных в интересующем нас отношении, полученные данные должны существенно различаться по величине.

Первое условие характеризует точность самого метода испытаний, а второе - степень его чувствительности.

Имея в виду интересующие нас интегральные характеристики, необходимые для разработки методов инженерных расчетов, эти требования следует обязательно дополнить еще одним, в данном случае едва ли не важнейшим: получаемые результаты должны устойчиво коррелировать с показателями соответствующего реального процесса разрушения.

В простейшем случае испытанием, удовлетворяющим последнему требованию, может служить технологическая проба. По пути использования технологической пробы пошли в свое время многие исследователи при создании, например, методов расчета по резанию углей, поскольку свойства последних в забое вследствие влияния отжима могут существенно отличаться от свойств извлеченных образцов.

Однако для выполнения изложенных выше требований вовсе не обязательно имитировать производственный процесс - необходима лишь устойчивая корреляционная связь между показателями. Показано, что для пород при современных глубинах разработки в подавляющем большинстве случаев вполне допустимы лабораторные испытания на образцах. Такие испытания значительно более просты и, что не мало важно, могут проводится до начала разработки месторождения.

Вопрос о приемлемости лабораторных испытаний сводится в своей основе к технической возможности получения достаточно представительных образцов. Условие представительности чаще всего нарушается в одном из следующих двух случаев:

- если свойства породы существенно изменяются при извлечении образца;

- если разрушение массива носит крупномасштабный характер и в значительной степени происходит по имеющимся в массиве трещинам, расстояния между которыми близки к размерам образца или превышают их.

Первая из указанных причин нарушения условия представительности для пород несущественна: действующие на них в массиве гравитационные нагрузки в большинстве случаев значительно меньше разрушающих (для углей они близки к разрушающим). Правда, это относится только к относительно небольшим глубинам разработки. Вполне возможно, что с переходом на существенно более глубокие горизонты и для пород, а не только для угля, потребуется применять забойные методы определения сопротивляемости разрушению.

Со второй из указанных причин нельзя не считаться при взрывном разрушении крупными (камерными или скважинными) зарядами; при механических же способах разрушения, отличающихся локализованным действием инструмента за каждый единичный акт разрушения только в пределах относительно небольшой зоны, данная причина, как правило, не может иметь существенного значения.

Методы испытаний пород для определения их горно-технологических свойств и необходимая аппаратура должны быть простыми и доступными. Относительно невысокая точность несложных приборов компенсируется увеличением числа единичных определений.

Отдельные, специалисты возражают против использования для испытаний горных пород простых, но относительно грубых методов и приборов. Они указывают, что применение более точных приборов позволит существенно уменьшить число единичных определений. Кроме того, иногда высказывается мнение, что при применении для испытания породных образцов только точных приборов вообще вся задача достоверной оценки сопротивляемости горных пород механическому разрушению якобы может быть успешно решена на основе использования обычных критериев сопротивления материалов (показателей прочности). С такими утверждениями, однако, никак нельзя согласиться. Ошибочность их видна, например, из высказываний Норберта Винера, указывавшего, что если бы при решении задач с принципиально неточными исходными данными мы стали опираться на такие методы и средства, которые специфичны для точных исследований, “...то вполне могло бы оказаться, что мы выбрали такие начальные условия, которые приводят к результатам, не типичным для более широкого круга начальных условий, с которыми мы на самом деле сталкиваемся в исследуемой задаче. Такая нестабильность... может привести к неверному представлению о возможной ошибке в конечных результатах. ... Наиболее чувствительные из наших приборов оказываются и самыми неустойчивыми. Неустойчивость же приводит к ошибкам, вообще говоря, отличающимся от ошибок, связанных с неточностью прибора, но не менее серьезным”.

Для расчета исполнительных органов проходческих комбайнов в качестве основных горно-технологических показателей рационально использовать

- пределы прочности горных пород при одноосном сжатии и растяжении ;

- показатель контактной прочности ;

- показатель абразивности а;

Кроме четырех упомянутых основных показателях свойств горных пород, следует отметить и достаточно новые физико-механические характеристики: сопротивляемость статическому откалыванию Ротк и критерий хрупко-пластических свойств tgц, а также вязкость разрушения горных пород . Эти показатели приняты к рассмотрению по следующим причинам.

Показатель , может быть определен только для пород, в которых при вдавливании индентора образуется лунка хрупкого выкола, т.е. в основном для пород хрупких. Более универсальным показателем прочностных свойств горных пород является сопротивляемость статическому откалыванию Ротк, коррелирующая с характеристикой разрушаемости при резании и может быть экспериментально определена для горной породы с самыми разнообразными хрупко-пластическими свойствами. Отметим, что хрупко-пластические свойства горных пород и количественная их оценка как сред, разрушаемых механическими способами, изучены недостаточно и с трудом поддаются более или менее достоверному косвенному определению. Величину Ротк, также критерий хрупко-пластических свойств tgц отвечающий требованиям, предъявляемым к характеристикам для горно-технологических инженерных расчетов, возможно оценить на таком же породном образце, и на той же испытательной установке, как и при определении контактной прочности.

Горные породы земной коры разбиты густой сетью трещин разнообразного генезиса, размеров, ширины, возраста, морфологии и др. Специалистов по разрушению горных пород механическими способами трещиноватость пород интересует с точки зрения ее роли как ослабляющего фактора, подлежащего учету при выборе оптимальных средств разрушения трещиноватых сред. Наибольший интерес представляет максимальное значение нагрузки, соответствующее моменту перехода от устойчивого роста трещины к неустойчивому. Этот момент характеризуется достижением значения вязкости разрушения K, являющейся прочностной характеристикой материала и имеющей размерность Н/мм3/2. Этот показатель, пока еще мало изучен, есть основания считать перспективным для использования в качестве дополнительной характеристики, позволяющей в ряде случаев уточнить оценку свойств различных пород, как объектов разрушения механическими способами.

 

Заключение

Таким образом свойства горных пород являются одними из важнейшими факторами горнодобывающих машин. Представлены критический анализ результатов исследований свойств горных пород и подходов к их определению. Развитие горнодобывающих промышленности требуют обстоятельных, глубоких знаний о свойствах и состоянии горных пород.

 

Библиографический список

  1. Барон Л.И., Веселов Г. М., Коняшин Ю.Г. Экспериментальные исследования процессов разрушения горных пород ударом. Изд-во АН СССР, 1962. 120 с.
  2. Барон Л.И., Курбатов В. М. К вопросу о влиянии масштабного фактора при испытании горных пород на раздавливание. В сб.: “Научные исследования по разработке угольных и рудных месторождений, Углетехиздат, 1959. С. 17-22.
  3. Барон Л.И., Курбатов В.М. О диаграмме сжатия крепких горных пород. Научные сообщения ИГД АН СССР. Вып. 22, 1959. С. 23 – 30.
  4. Протодьяконов М.М. Метод определения прочности горных пород на одноосное сжатие. В сб.: “Механические свойства горных пород”. Изд-во АН СССР, 1963. С. 3 – 7.
  5. Протодьяконов М.М., Койфман М.И., Чирков С.Е., КунтышМ.Ф., Тедер Р.И. Паспорта прочности горных пород и методы их определения. Изд-во “Наука”, 1964. 129 с.
  6. Armaghani D.J., Amin M.F.M., Yagiz S., Faradonbeh R.S., Abdullah R.A. Pre-diction of the uniaxial compressive strength of sandstone using various modeling techniques //International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences. – 2016. – Т. 85. – С. 174-186. doi:10.1016/j.ijrmms.2016.03.018.
  7. Aydin A. ISRM suggested method for determination of the Schmidt hammer rebound hardness: revised version //The ISRM Suggested Methods for Rock Characterization, Testing and Monitoring: 2007-2014. – 2008. – С. 25-33. doi:10.1007/978-3-319-07713-0_2.
  8. Жабин А.Б., Аверин Е.А., Поляков А.В. Интегральная оценка сложности проекта проходки горных выработок //Уголь. 2017. № 11. С. 60-63. doi:10.18796/0041-5790-2017-11-60-63.
  9. Жабин А.Б., Аверин Е.А., Поляков А.В. Показатель эквивалентной прочности горных пород //Горная промышленность. – 2018. – № 5. – С. 112-115. doi:10. 30686/1609-9192-2018-5-141-112-115.
  10. Jalali S.H., Heidari M., Mohseni H. Comparison of models for estimating uniaxial compressive strength of some sedimentary rocks from Qom Formation //Environmental Earth Sciences. – 2017. – Т. 76. – №. 22. – С. 753. doi:10.1007/s12665-017-7090-y.

 

Разделы конференции »

  1. Государственный кадастр недвижимости и земельно-имущественные отношения
  2. Мониторинг природных ресурсов и охрана окружающей среды
  3. Комплексное использование природных ресурсов
  4. Современные вопросы геологии
  5. Физика горных пород
  6. Новые технологии в природопользовании
  7. Применение современных информационных технологий
  8. Экономические аспекты недвижимости
  9. Мониторинг использования объектов недвижимости
  10. Топографо-геодезическое обеспечение кадастровых работ

 

Проекту Kadastr.ORG требуются средства на хостинг и развитие

Сумма: руб.