Водно-физические свойства глинистых пород

Механические свойства разрушенных пород

Наиболее употребительными в практике являются прочностные и де­формационные характеристики разрушенных пород. Эти свойства во мно­гом зависят от размеров, формы, шероховатости кусков и других факто­ров. Поэтому принято рассматривать два крайних случая - идеально сыпу­чие породы и реально разрушенные. Под идеально сыпучим телом пони­мают совокупность одинаковых частиц сферической формы, между кото­рыми отсутствуют силы зацепления. Природным аналогом таких тел могут служить зыбучие пески.

Паспорт прочности. Для идеально сыпучих тел прочность при рас­тяжении и сцепление заведомо отсутствуют. Тогда огибающую предель­ных кругов напряжений Мора можно представить в виде прямой, выходя­щей из начала координат. Для определения ее положения проводят ком­прессионные испытания по схеме, представленной на рис.7.2. При нагружении пробы в толстостенной матрице, исключающей возможность боко­вого расширения породы, возникает боковой распор, где - коэффици­ент бокового распора, для сыпучих пород зависящий от угла внутреннего трения (угла естественного откоса)

(7.6)

Рис.7.2. Схема испытаний и паспорта прочности разрушенных пород

По результатам испытания производят построение круга напряжений и проводят огибающую (линия 1 на рис.7.2). Для идеально сыпучих тел угол внутреннего трения и угол естественного откоса совпадают.

Для реальных разрушенных пород за счет шероховатости кусков и наличия сил зацепления между ними прочность при одноосном сжатии и растяжении, в принципе, существует. Однако последнюю величину экспе­риментально определить очень сложно. Поэтому для построения паспорта прочности опытным путем определяют величину сцепления (прочность на сдвиг). Паспорт прочности (линия 2) представлен на рис.7.2. Следует обратить внимание, что угол внутреннего трения разрушенной породы всегда больше, чем идеально сыпучей.

Деформационные характеристики. Как идеально сыпучие, так и реальные разрушенные породы области упругого деформирования не имеют, поскольку уже при самых малых нагрузках происходит проскальзывание частиц. Зависимость между напряжениями и деформациями не­линейна. Для идеально сыпучих сред при некотором предельном напряжении наблюдается непрерывный рост деформации без возрастания нагрузки (линия 1 на рис.7.3). Количественно поведение сыпучих пород оценивается модулем деформации, геометрически соответствующим тангенсу угла секущей. Поведение реальных разрушенных пород несколько иное. При достижении некоторого пре­дельного напряжения (точка А на рис.7.3) происходит потеря несущей способности навала породы, и рост деформации сопровождается падением напряжений (кривая AB), но до определенного предела (точка В). Этот предел [ ] называется несущей способностью разрушенных пород (в отва­лах). Деформационное поведение породы описывается модулем деформа­ции и модулем спада.

Рис.7 3. Графики деформации разрушенной породы

Глинистыми называются тонкодисперсные связные осадочные поро­ды, состоящие в основном из водных силикатов (глинистых минералов): каолинита, монтмориллонита, гидрослюды (биотит, мусковит), хлорита и др. Специфические "глинистые" свойства таких пород обусловлены наличием в их составе частиц размером менее 0,002 мм, которые в силу их малых размеров обла­дают огромной удельной поверхностью и, соответственно, высокой плот­ностью свободной поверхностной энергии и большой адсорбционной спо­собностью. По содержанию частиц данной фракции различают: глины (со­держание таких частиц более 30 %), суглинки (от 10 до 30 %), супеси (от З до 10%).

Высокая пластичность глинистых пород обусловлена наличием во­круг каждой частицы гидратных оболочек, существенно ослабляющих прочность контакта. По мере удаления от поверхности минеральных частиц вода находится в различных состояниях. Ближайшая к поверхности прочно связанная вода обволакивает частицы, образуя адсорбционную пленку. Такая вода не может быть удалена из породы механическим спо­собом. При влажности, превышающей максимальную гигроскопичность, появляется слой рыхло связанной воды. Здесь часть слоев воды удержива­ется молекулярными силами прочно связанной воды, а другая - осмотиче­скими силами. Последние формируются путем осмотического поглощения молекул воды молекулами рыхло связанного слоя, отличающегося более высокой концентрацией ионов. Такая вода может быть удалена механиче­ским способом (например, вибрацией). На некотором расстоянии от по­верхности минеральных частиц, превышающем радиус действия поверхностных сил, вода переходит в свободное (капиллярное и гравитационное) состояние.

Рнс.7 4. Кривые ползучести глинистых пород в различном состоянии

Количество воды в горной породе оценивается ее влажностью, кото­рую можно определить как отношение массы воды к массе минераль­ного скелета

(7.7)

Измеряется влажность в долях единиц или в процентах. Определение ее производится путем измерения массы пробы, насыщенной водой, и высушенной при температуре до постоянного веса. B зависимости от уровня влажности глинистой породы выделяют три ее состоя­ния: непластичное (в сухом состоянии), пластичное и текучее. Этим со­стояниям соответствует различный характер деформирования глинистых пород во времени при постоянном напряжении, т.е. ползучести (рис.7.4). В сухом состоянии глина ведет себя подобно скальной породе - деформация со временем затухает (см. рис.7.4,а). При большей влажности глина пере­ходит в пластичное состояние. В этом случае при достижении деформаци­ей определенной величины скорость ее роста остается постоянной (подоб­но незатухающей ползучести скальных пород) - (см. рис.7.4,б). Наконец, при еще большем увлажнении глина переходит в текучее состояние, при котором скорость деформации стремится к бесконечности (см. рис.7.4,в). Влажность, при которой глинистая порода переходит из непластичного со­стояния в пластичное, называется пределом пластичности, а из пла­стичного состояния в текучее - пределом текучести. Разница между этими величинами () называется числом пластичности. Оно сви­детельствует о диапазоне влажности, в пределах которого глинистая порода находится в пластичном состоянии.

Ркс.7.5. Схема осмоса

Увеличение объема глинистой породы при увлажнении называется набуханием. Процесс набухания имеет осмотическую природу. Механическую схему осмотического втягивания можно представить в следующем виде (рис.7.5). Молекула воды испытывает притяжение глинистых частиц. Равнодействующая сил притяжения стремится

вовлечь ее между частицами и раздвинуть их. Расклинивающее действие тонких слоев воды и лежит в основе набухания глинистых пород. При этом создаются чрезвычайно большие давления, а увеличение объема глин приводит к пучению пород, которое сопровождается повреждениями кре­пи или разрушением горных выработок. Набухание численно оценивается следующими показателями:

· давлением набухания,

· коэффициентом набухания, т.е. относительной объем­ной деформацией глин,

· влажностью набухания - максимальной влажностью, при ко­торой прекращается увеличение объема породы.

Рнс.7.6. Зависимость липкости глин от влажности

Явление, обратное набуханию, - сжатие породы при дегидратации (удалении воды) называется усадкой. Она характеризуется линейной или объемной усадкой.

При соприкосновении влажной глинистой породы с поверхностью твердого тела практически мгновенно происходит процесс смачивания данной поверхности поровой жидкостью. Одновременно идет процесс конденсации жидкости в зазорах между минеральными зернами и данной поверхностью. За счет этого происходит прилипание породы к поверхности другого тела (например, рабочему инструменту). Численно липкость (адгезия) харак­теризуется силой, которую нужно приложить, чтобы оторвать глинистую породу от металлической поверхности единичной площади. Липкость пород зависит от их влажности (рис.7.6). До определенного пре­дела (влажность начального прилипания) молекулы воды удерживают­ся мощными силами молекулярного притяжения минеральных частиц, и поэтому они не способны вступать во взаимодействие с другими телами. При повышении влажности и, следовательно, утолщении пленки рыхло связанной воды, ее молекулы на границе слоя начинают притягиваться по­верхностью инструмента. При равенстве сил притяжения молекул воды к минеральной частице и другой поверхности происходит максимальное прилипание, соответствующее влажности. При дальнейшем утолщении пленки рыхло связанной воды молекулы периферийных частей ее оказы­ваются уже настолько удаленными от минеральных частиц, что они легко отрываются от их поверхности. Это состояние соответствует влажности.

Липкость глинистых пород служит серьезным препятствием при их добыче, погрузке и транспортировке. Предотвращение прилипания может осуществляться следующими способами. График (см. рис.7.6) показывает, что исключить прилипание можно путем уменьшения влажности глин ни­же величины или их переувлажнением (). Последнее явно не­технологично. Уменьшение же влажности достигается путем подсушива­ния или подмораживания. При этом достаточно удалить воду только из той части породы, которая непосредственно соприкасается с поверхно­стью вагонетки или конвейера. Другим путем является управление состоянием рабочей поверхности добычного и транспортного оборудования та­ким образом, чтобы максимально увеличить угол краевого смачивания по­верхности. Это достигается специальным покрытием поверхности (мате­риалы на основе полихлорвинила), нанесением на нее нефтепродуктов или порошкообразных веществ (тальк, сажа). При невозможности исключить прилипание глинистых пород производится механическая, гидродинами­ческая или термодинамическая очистка поверхности оборудования, кон­тактирующего с породой.