Сопротивление горных пород разработке и их способность служить надежным основанием для горных машин напрямую определяются комплексом их физико-механических характеристик.
Значение и факторы влияния
Глубокое понимание этих свойств является критически важным для инженерных расчетов при проектировании горных машин, для научного обоснования норм выработки и планирования технологических процессов, а также для корректного определения сфер эффективного применения различной горной техники. Для этого необходимо не только выявить ключевые факторы, влияющие на сопротивление пород разрушению, но и дать им как качественную, так и количественную оценку.
Совокупность физико-механических свойств любой породы формируется под влиянием нескольких фундаментальных факторов: ее минералогического состава, внутреннего строения (структуры и текстуры), условий геологического образования и последующих процессов метаморфизма.
Физические свойства пород
К базовым физическим свойствам, определяющим поведение пород, относятся плотность, связность, липкость и ряд других параметров.
Плотность (ρ) — это отношение массы образца породы к его объему в естественном, ненарушенном состоянии с учетом природной влажности. Измеряется в кг/дм³ или т/м³. Для большинства горных пород этот показатель варьируется в широком диапазоне от 1.5 до 6 т/м³.
Насыпная плотность — это аналогичный параметр, но уже для разрыхленной, отбитой горной массы. Она всегда ниже естественной плотности из-за наличия пустот между кусками.
Связность — свойство, характеризующее силы сцепления между отдельными частицами или минеральными зернами в породе. Именно от степени связности в значительной мере зависят общая прочность материала, его сопротивление деформирующим усилиям и способность противостоять разрушению.
Механические свойства пород
Механические свойства описывают реакцию горной породы на приложение внешних силовых воздействий. К наиболее важным из них относятся прочность, крепость, твердость и абразивность.
Прочность — это способность породы сопротивляться разрушению под действием нагрузок различного типа (сжатие, растяжение, сдвиг). Количественной мерой прочности служит временное сопротивление, или предел прочности — максимальное напряжение, которое материал выдерживает до разрушения.
Важно понимать, что горные породы в своем естественном залегании редко являются монолитными и изотропными (одинаковыми по свойствам во всех направлениях). Чаще они обладают анизотропией, то есть их механические характеристики различаются в зависимости от направления воздействия относительно слоистости, трещин и других структурных элементов. Яркий пример: предел прочности угля на сжатие перпендикулярно напластованию примерно в 1.5 раза выше, чем при сжатии вдоль слоев.
Также для горных пород характерно существенное различие в сопротивлении разным видам нагрузок. Временное сопротивление сжатию, как правило, в несколько раз превышает сопротивление растяжению. Значения предела прочности на сжатие для различных пород могут колебаться от 10 МПа (например, для бурого угля) до 400 МПа и более (для крепких руд, базальтов, гранитов).
Крепость — это комплексная характеристика, отражающая общее сопротивление породы разрушению в процессе горных работ. На крепость влияет целый ряд факторов: твердость, вязкость, хрупкость, упругость, а также минеральный состав, структура, наличие кливажа и трещиноватости. Для количественной оценки крепости используется коэффициент крепости (f). Ориентировочно он составляет около 0.1 от величины предела прочности породы на одноосное сжатие (σсж), выраженной в МПа.
Твердость (или контактная прочность) — это способность поверхностного слоя породы сопротивляться внедрению в него другого, более твердого тела без остаточных деформаций последнего. Данное свойство напрямую определяет сопротивление породы режущему или буровому инструменту.
Абразивность — свойство горной породы вызывать износ (истирание) рабочих органов горных машин и инструмента при контакте с ними. Абразивность оценивается в лабораторных условиях по потере массы стандартного эталонного стержня после его контакта с породой в регламентированных условиях. По этому показателю породы классифицируют на восемь классов — от весьма малоабразивных (известняк, мрамор) до высокоабразивных (граниты, диориты, породы, содержащие корунд).
Учет абразивности горных пород является обязательным требованием как на этапе создания, так и в процессе эксплуатации горных машин. Интенсивный износ рабочих органов приводит к нарушению оптимальных режимов взаимодействия машины с массивом, что вызывает резкий рост сопротивления породы, увеличение энергозатрат на ее разрушение и, как следствие, рост динамических нагрузок на все узлы и агрегаты техники.