6.Механические свойства горных пород и способы их определения.
Эффективность разрушения горной породы зависит от ее механических свойств и характера воздействия породоразрушающего инструмента.
Горные породы представляют собой твердые поликристаллические тела, состоящие из природных химических соединений – минералов, обладающих во всех своих частях одинаковыми физическими свойствами и одним и тем же химическим составом.
Осадочные горные породы, к которым приурочены нефтяные и газовые месторождения, состоят в основном из следующих минералов: глинистых (монтмориллонита, каолинита, палыгорскита), сульфатных (гипса, ангидрита, барита), карбонатных (кальцита, доломита), окисных (кварца) и некоторых других.
Под механическими свойствами горных пород понимают такие свойства, которые определяют поведение горных пород и минералов в процессе деформации. Деформации могут быть обратимыми и необратимыми.
Под действием внешних сил, превосходящих предел упругой деформации, может возникнуть либо хрупкое разрушение, либо пластическая (необратимая) деформация. Разрушение тела наступает при возникновении в нем напряжений, превышающих некоторый предел, называемый пределом прочности.
Прочность породы зависит от ее минерального состава. Наиболее твердым породообразующим минералом является кварц. Поэтому прочность породы обычно возрастает с увеличением содержания кварца. Прочность, абразивные свойства обломочных пород зависят от размеров частиц, состава и строения связывающих обломки цементов. Среди осадочных пород наибольшую прочность имеют породы с кремнеземистым цементом. При наличии глинистого цемента прочность пород резко снижается. Прочность горных пород увеличивается с уменьшением пористости, так как при этом возрастает число контактов минеральных частиц и силы взаимодействия между ними. Прочность горных пород зависит от глубины их залегания и степени метаморфизации. На прочность горных пород влияет и температура. С повышением температуры растет прочность глинистых пород вследствие спекания или метаморфизации. Прочность же хемогенных пород с повышением температуры уменьшается, а пластические свойства усиливаются.
Определяющим показателем сопротивления горных пород разрушению при бурении является сопротивление вдавливанию породоразрушающего инструмента в условиях неравномерного всестороннего сжатия.
Способность материала сопротивляться внедрению другого твердого тела в его поверхность называется твердостью.
Известно несколько методов определения твердости. Применительно к проблемам бурения наибольшее признание получил метод Л.А.Шрейнера. Сущность метода состоит в измерении деформации породы при вдавливании в нее цилиндрического пуансона (штампа) с плоским основанием. При вдавливании такого штампа в плоскую поверхность испытуемого тела площадь контакта в процессе вдавливания остается постоянной. Нагрузка на штамп увеличивается до тех пор, пока под основанием штампа не произойдет полного разрушения породы. Нагрузка при разрушении деленная на площадь основания штампа, определяет величину твердости.
Источник
Основные физико-механические свойства горных пород
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.
В соответствии с классификацией, принятой в физике горных пород, основными группами физических свойств в зависимости от вида внешнего физического поля считаются: плотностные, механические, тепловые, электрические, магнитные, волновые, радиационные, гидрогазодинамические.
Плотностьпороды и средняя плотность. Плотность породы определяется как отношение массы к её объему или как степень заполнения некоторого объема минеральным веществом. Наименьшей плотностью обладают осадочные породы, наибольшей — изверженные. Плотность горных пород зависит от минералогического состава зёрен и связывающего их цемента. Отношение массы образца к его полному объему характеризует среднюю плотность породы, зависящую от вещественного состава и пористости.
Пористость, характеризуемая наличием в горной породе пустот, имеет существенное значение, так как от нее непосредственно зависят: механическая прочность, абразивность, влагоёмкость и другие свойства горных пород. Пористость определяется отношением объема пор к объему породы. Пористость осадочных пород различна; у доломитов и известняков она изменяется от нескольких до 30%, у песчаников — до 40%, у мела — от 5-7 до 40-45%, у песков — около 30-40%, у глинистых пород колеблется в значительных пределах и может достигать 50% и более.
В твердых породах выделяют пористость открытую и закрытую. В первом случае поры сообщаются друг с другом и с наружной поверхностью образца, во втором — поры изолированы друг от друга. Это влияет на водопоглощение и водопроницаемость горных пород.
Трещиноватость, характеризуемая совокупностью систем трещин в горных породах, уменьшает устойчивость пород.
Водопроницаемость— способность горных пород пропускать воду. Водопроницаемость зависит от размеров и характера пор или трещин.
Плывучесть— свойство пород течь при вскрытии. Таким свойством обладают насыщенные водой мелкозернистые пески с примесью илистых и глинистых частиц. Таким же свойством могут характеризоваться суглинки и даже глины при сильном увлажнении. Подвижность пород вызывается или движением воды, перемещающей частицы пород, или переходом породы в состояние вязкой жидкости вследствие сильного насыщения водой.
Устойчивость— поведение горных пород при обнажении их в массиве. Породы устойчивые при этом не обрушаются, не требуют закрепления. В породах неустойчивых или слабоустойчивых требуется проводить крепление. Устойчивость горных пород зависит целиком от характера связи между частицами, слагающими горную породу, от трещиноватости и степени выветрелости.
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 — свойство горной породы восстанавливать свои первоначальные форму и объем по прекращению действия внешних сил. Упругие свойства характеризуются модулем упругости и коэффициентом Пуассона.
Пластичностьв противоположность упругости — свойство породы сохранять остаточную деформацию после прекращения действия внешних сил.
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; а 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.).
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 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 — 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.
Временное сопротивление пород разрушению при одноосном сжатии σсж — важнейший показатель прочности пород характеризующий способность выдерживать без разрушения сжимающую нагрузку.
Временное сопротивление пород разрыву σр — удельная растягивающая нагрузка, выдерживаемая стандартным образцом горной породы.
Временное сопротивление изгибу σиз , сдвигу (скалыванию) σск и кручению σкр — характеризуют способность горных пород сопротивляться соответствующим видам деформаций и измеряются величинами соответствующим образом ориентированных нагрузок, приводящих к разрушению стандартных образцов горных пород.
Газонасыщенность пород — степень заполнения пустот (пор, каверн, трещин) в породах природными газами. Она обусловлена сорбционной способностью горных пород, пористостью, трещиноватостью и давлением газов. Ее оценку осуществляют по коэффициенту газонасыщения, равному отношению объема газа, заполняющего породу, к объему открытых пор и пустот. Газонасыщенность определяют как объемное количество свободных и сорбированных газов, содержащихся в единице объема или массы породы, извлекаемых путем откачки, вакуумирования или вытеснения жидкостью.
Газопроницаемость — способность горной породы (угля) при некотором перепаде давления пропускать через себя газ. Газопроницаемость является основным свойством горной породы, проявляющимся при фильтрации газа, и зависит в основном от свойств породы и частично от свойств самого газа.
Источник
Лекционный материал на тему «Физико-механические свойства горных пород»
Физико-механические свойства горных пород. Методы и способы их оценки
Знание физико-механических свойств горных пород является главным и необходимым условием при выборе типа выемочной машины, расчете и обосновании оптимальных режимных параметров её работы. К основным физико-механическим характеристикам горных пород, определяющим условия и возможности работы выемочных машин, относятся прочность, крепость, твердость, вязкость, абразивность и др. Кроме того, применительно к разрушению углей исполнительным органом комбайна имеется комплексный показатель оценки их прочностных свойств – сопротивляемость резанию.
Прочность – свойство горных пород воспринимать воздействие механических, термических, электрических и других нагрузок, не разрушаясь. Основными показателями, характеризующими прочность горных пород, являются пределы прочности на сжатие СЖ , растяжения Р и сдвиг СДВ . Эти показатели применительно к углю имеют примерно следующие соотношения СЖ : Р : СДВ = 1 : 0.3 : 0.1. Наиболее выгодно с позиции энергоемкости разрушения в подрезцовом пространстве создавать напряжения растяжения или сдвига, нежели сжатия. Это осуществляется выбором соответствующей формы резца, оптимального угла резания, конструкции резца и исполнительного органа. Так, при углах резания меньших 90° в подрезцовом пространстве формируются в основном напряжения сдвига и растяжения, увеличение угла резания влечет за собой переход к напряжению сжатия. Прочность углей при одноосном сжатии колеблется в значительных пределах – от 1 МПа у бурых углей до 35 МПа – у антрацитов. При объемном напряженном состоянии прочность угля значительно возрастает.
Крепость — сопротивляемость горных пород объемному разрушению. В горной практике наиболее широко используется классификация пород по крепости, предложенная проф. М.М. Протодьяконовым (старшим). Все горные породы разделяются на 10 категорий и оцениваются коэффициентом крепости f от 0.3 (плывуны) до 20 (крепкие и вязкие базальты). Коэффициент крепости – относительная величина. За единицу крепости ( f = l ) была принята порода, временное сопротивление одноосному сжатию которой составляет 10 МПа. При оценке крепости М.М.Протодьяконов исходил из условия , что разрушение происходит в основном посредством преодоления сопротивляемости пород на сжатие. М.М.Протодьяконовым (младшим) был предложен экспериментальный метод определения коэффициента крепости, основанный на относительной оценке работы на дробление пород (ГОСТ 21153.8-88). В целом метод оценки крепости пород по М.М.Протодьяконову не учитывает разнообразия разрушающих способов воздействия на забой и формируемых в подрезцовом пространстве напряжений, влияние давления боковых пород и отжима угля, насыщенности угля газом и ряда других факторов. Поэтому, наряду с коэффициентом крепости, в горной практике используется показатель трудности разрушаемости пород, учитывающий сжимающие, растягивающие и скалывающие усилия; показатели буримости, дробимости, экскавируемости и т.п. Для оценки крепости угля при разрушении его режущим инструментом необходим более точный показатель, учитывающий влияние всех побочных факторов.
Твердость – свойство пород оказывать сопротивление при местном контактном воздействии. Имеются методы оценки твердости по Бринеллю, Роквеллу, Шору и т.д. Применительно к горным породам чаще используются показатели контактной прочности, которые определяются по методу Л.И.Барона и Л.Б.Глатмана путем вдавливания в породу цилиндрического индентера диаметром 2-5 мм. По величине контактной прочности (Рк), измеряемой в МПа, горные породы разделяются на шесть категорий: 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). Показатели твердости наиболее часто применяются при оценке возможности использования буровых машин, шарошечного инструмента и т.д.
Хрупкость – способность горных пород разрушаться без предварительной пластической деформации. В основе явления хрупкости лежит неоднородность структуры материала и возможность развития в нем хрупкой трещины, на остром кончике которой формируются значительные концентрации напряжений, поэтому разрушение, как правило, происходит мгновенно при сравнительно невысоком уровне нагрузок. Хрупкость пород можно оценить коэффициентом хрупкости К ХР , определяемым как отношение удельной энергии упругой деформации к величине удельной энергии разрушения пород при одноосном сжатии. Идеально пластичные и хрупкие породы имеют соответственно коэффициент хрупкости, равные К ХР = 0 и К ХР = 1.0. Более просто хрупкость углей и пород можно оценить по величине развала борозды при проведении в массиве единичного пробного реза. Больший угол развала борозды, измеряемый от вертикали до плоскости фактического ее значения, характеризует большую хрупкость угля. Этот показатель используется при формировании схемы набора резцов в исполнительном органе, при расчетах нагрузки на исполнительном органе комбайна. Большинству углей свойственна повышенная хрупкость. При разрушении хрупких углей можно использовать более разряженные схемы набора резцов в исполнительном органе комбайна, тем самым, снижая энергозатраты на разрушение.
Абразивность – способность породы изнашивать контактирующие с породой твердые тела (индентеры). Зависит в основном, от прочности, размеров и формы минеральных зерен, слагающих породу, и является основным показателем, по которому нормируется расход породоразрушающего инструмента. Существует методика оценки абразивности, разработанная Л.И.Бароном и А.В.Кузнецовым. В основу оценки степени абразивности положена потеря массы прутка стали-серебрянки, вращающегося с частотой 400 мин -1 в контакте с испытуемой породой (при усилии прижатия в 150 Н). Оценка показателя абразивности породы производится в мг за время испытания продолжительностью в 10 мин. Установлено 8 классов абразивности пород: малоабразивные – до 5 мг (мрамор, глинистые сланцы), в высшей степени абразивные – более 90 мг (корундосодержащие породы, порфит, кварцит, гранит и др.).
Сопротивляемость угля резанию – наиболее обобщенный показатель оценки крепости углей, используемый для выбора возможности применения определенного типа комбайна и расчета нагрузок на рабочем органе машины. Определяется непосредственно в забое специальным режущим инструментом с учетом влияния на крепость углей дополнительных факторов таких, как отжим угля, насыщение его газом и т.д. Методика разработана в ИГД им А.А.Скочинского А.И.Бероном и Е.З.Позиным. Возможна оценка сопротивляемости резанию с помощью струговой установки ДКС, либо динамометрического сверла СДМ-1.
Динамометр крупного скола ДКС-2 (рис. 1.1) состоит из эталонного резца 1, закрепляемого на распорной стойке 5 непосредственно в забое. Резец расположен в обойме и может выдвигаться для регулирования глубины стружки. Резец имеет строго заданные нормативные параметры: ширина режущей кромки – 20 мм, угол резания – 50, задний угол – 10°. Резец протягивается вдоль забоя канатом 2 с помощью лебедки 4, совершая серповидные резы заданной глубины h . При этом усилия на передней грани резца фиксируются самопишущим динамометром 3. По данным опытов строится график (см. рис.1.1) усилий реза в функции от глубины реза Z = f ( h ) и определяют Z СР . При испытании вне зависимости от условий выявлена пропорциональность усилия резания Z СР (кН) от глубин среза h через коэффициент А
Этот коэффициент пропорциональности, изменяющийся в зависимости от крепости разрушаемых углей, и принят за показатель оценки сопротивляемости углей резанию
где Z СР – среднее усилие резания, кН; h – глубина резания, м.
По величине А можно определить энергоемкость разрушения Hw (кВт ч/м 3 ) по эмпирической зависимости
где – угол бокового развала борозды. В свою очередь угол бокового развала борозды характеризует хрупкость угля. Установкой ДКС сопротивляемость резанию можно оценить как непосредственно в кромке забоя А в в зоне отжима угля, так и в глубине массива А в непосредственной зоне работы исполнительного органа выемочной машины. Все это обеспечивает получение более точных значений прочностных параметров массива для правомерного выбора и расчета выемочных машин.
Существует и более простая оценка сопротивляемости углей резанию установкой СДМ-1, она представляет собой ручное сверло с механической подачей на забой. С помощью сверла в испытуемом забое бурится шпур, при последующем расширении которого самопишущим динамометром фиксируется среднее значение момента сопротивления М СР , кН м. Сопротивляемость резанию (кН/м) определяется
где г ср = 0.026 м – средний радиус резца; h – глубина резания (толщина среза), м.
Установка СДМ-1 более компактна и удобна в эксплуатации. Она широко используется при массовых замерах сопротивляемости углей резанию с целью составления паспортов крепости шахтопластов.
В зависимости от сопротивляемости резанию ИГД им.Скочинского предложена систематизация углей, разделяемых на 8 классов, – от 1-го (А VIII (А > 421 кН/м). Более проста классификация Гипроуглемаша:
А kH /м – слабые угли;
150 – 300 kH /м – средней крепости;
300 – 450 kH /м – крепкие;
> 450 kH /м – особо крепкие.
Показатель сопротивляемости углей резанию с некоторым допущением коррелируется с коэффициентом крепости шкалы М.М.Протодьяконова А = 150 f . Предельные значения показателя сопротивляемости углей резанию, как правило, приводятся в технической характеристике выемочных машин, что способствует более обоснованному выбору оборудования применительно к конкретным условиям его эксплуатации. Сопротивляемость резанию является основным показателем при проектировании машин и проверочных расчетах очистных комбайнов и струговых установок.
Источник
