2014-02-17
1107
Механические свойства горных пород являются разновидностью физических свойств. Они выражаются в способности горных пород оказывать сопротивление деформированию и разрушению под действием внешних сил. К ним относятся: прочность, абразивность, упругость, хрупкость, пластичность и др.
Прочностью горной породы называется способность ее сопротивляться воздействию внешних сил, стремящихся разрушить связь между зернами, слагающими эту породу. Она в значительной степени зависит от способа деформации. Поэтому различают прочность на сжатие, растяжение, изгиб и скалывание. Прочность пород также зависит от их минералогического состава, структуры, текстуры, пористости, характера связи между зернами, твердости частиц и степени выветривания. Мелкозернистые породы обладают большей прочностью, чем крупнозернистые. Прочность сцементированных пород зависит от рода цемента. Прочность глинистых пород падает с увеличением влажности.
С увеличением плотности прочность, как правило, возрастает. Наибольшая прочность горных пород проявляется при сжатии (табл. 13). Она характеризуется отношением усилия, разрушающего образец (Р к, Н), к площади поперечного сечения образца (F, м2):
σ сж =P к/ F.
При всестороннем, объемном сжатии (забой шпура, скважины) сопротивление резко увеличивается. Сопротивление горных пород сжатию изменяется в зависимости от направления действия сил по отношению к кристаллографическим осям, слоистости и сланцевости пород. Так, у сланцеватых пород прочность вдоль плоскости сланцеватости составляет 0,5–0,75 от прочности в направлении, перпендикулярном к этой плоскости.
Прочность при скалывании в 10–15 раз меньше прочности на сжатие, а прочность при растяжении в 1,5–2 раза меньше, чем прочность при скалывании.
Предел прочности наиболее распространенных пород на одноосное сжатие приведен в табл. 13.
Пределы прочности горных пород массива меньше, чем отдельного, слагающего этот массив куска. Это связано с наличием трещиноватости.
Таблица 13
| Горная порода | Прочность на сжатие σсж, МПа | Горная порода | Прочность на сжатие σсж, МПа |
| Корунд | Песчаники с известковым цементом: | ||
| Габбро | 120–360 | ||
| Диорит | 130–300 | крупнозернистые | 100–140 |
| Гранит | 80–250 | среднезернистые | 140–240 |
| Сиенит | 150–200 | мелкозернистые | 240–290 |
| Кварц | Аргиллит | ||
| Известняк | 100–260 | Глинистый сланец | 14–80 |
| Песчаник с кремнистым цементом | Ангидрит | ||
| Гипс | |||
| Гематит | Каменный уголь | 1–40 | |
| Доломит | Глина | 0,2–1 | |
| Кальцит |
Для получения прочностных характеристик массива через предел прочности пород в образце в расчеты вводят коэффициент структурного ослабления Кс, показывающий величину отношения предела прочности пород массива σм к пределу прочности пород в образце (куске) σк: Кс = σм /σк.
Согласно СНиП II-94–80 коэффициент структурного ослабления равен:
| Среднее расстояние между поверхностями ослабления пород, м: | Коэффициент Кс |
| более 1,5 | 0,9 |
| от 1,5 до 1 | 0,8 |
| от 1 до 0,5 | 0,6 |
| от 0,5 до 0,1 | 0,4 |
| менее 0,1 | 0,2 |
При длительном воздействии нагрузки прочность пород уменьшается и определяется коэффициентом длительной прочности ζ = σд /σсж, где σд – предел прочности образца при длительном воздействии нагрузки. Для хрупких пород (граниты, кварциты) ζ =1–0,7; для пород, испытывающих пластические деформации (песчанистые и углистые сланцы, мергели, известняки средней крепости), ζ=0,5–0,7.
Предел длительной прочности массива пород на сжатие определяется по формуле: R сж = σсж К с ζ; на растяжение – R р = σр К с ζ.
Твердостью называется способность породы оказывать сопротивление проникновению в нее другого, более твердого тела и является частным случаем прочности при местном приложении разрушающих нагрузок. Это очень важное свойство горных пород, определяющее величину внедрения лезвия головки буров (резцов) и поэтому существенно влияющее на скорость бурения шпуров, скважин.
Различают агрегатную твердость, т.е. твердость породы в целом, и твердость отдельных минералов, из которых состоит порода. Агрегатная твердость зависит от твердости отдельных минеральных зерен, цементирующего вещества и плотности горной породы. Она в основном влияет на скорость разрушения породы при бурении шпуров. Твердость отдельных минералов обусловливает износ резцов породоразрушающего инструмента и сказывается на интенсивности разрушения породы только во времени.
Твердость горных пород зависит также от способа приложения нагрузок, которые могут быть статическими и динамическими. Динамическая твердость почти в 10 раз меньше статической.
Твердость можно определять различными методами: царапанием, затухающими колебаниями, вдавливанием штампа, истиранием, резанием, отскоком бойка и др.
