Горно-технологические свойства

Горнотехнологические параметры (свойства) —комплексные показатели пород, установленные эмпирическим путем и характеризующие поведение пород при воздействии на них конкретным инструментом, механизмом или технологическим процессом.

БУРИМОСТЬ
ТВЕРДОСТЬ,
ВЯЗКОСТЬ,
ДРОБИМОСТЬ
АБРАЗИВНОСТЬ ПОРОД

Буримость
– степень сопротивляемости пород разрушению буровым инструментом.
при оценке процесса бурения можно провести контрольные бурения различных пород и определить скорость бурения в стандартных исходных условиях.
Полученные данные могут быть использованы в дальнейшем для оценки производительности буровой установки при бурении соответствующих пород.
Измеренная стандартная скорость бурения является технологическим параметром буримости горных пород.
Указанный параметр может быть использован только для данного способа бурения и только для конкретных пород.

Твёрдость
– сопротивление породы внедрению в неё инструмента, измеряется по шкале Мооса (10 категорий)
характеризует поведение пород в случае сложно напряженного состояния

Так как породы состоят из многих минералов и их твердость является агрегатной, для ее определения используют методы, основанные на вдавливании особых штампов в породу.
В зависимости от того, вдавливается ли инструмент в породу при постепенно увеличивающейся нагрузке или ударе, различают статическую Нст или динамическую Нд твердость, ( Нст не равна Нд ).

Статическая твердость пластичных пород может определяться методами, применяемыми для испытания металлов — методом Бриннеля (вдавливание стального закаленного шарика в образец),
методом Роквелла (вдавливание наконечника под действием двух последовательно прилагаемых нагрузок) и т. д.
За меру твердости в различных методах принимаются разные показатели.
Так, по методу Бриннеля твердость характеризуется отношением приложенной нагрузки к диаметру полученного на образце отпечатка,
а по методу Роквелла — глубиной проникновения наконечника в породу.

Для большинства горных пород применяется метод определения твердости, основанный на хрупком выколе лунки в шлифованной поверхности породы под действием приложенной к специальному штампу нагрузки. Метод разработан Л. А.Шрейнером.
Если во время опыта фиксируется деформация, то может быть определен модуль упругости породы.

Метод контактной прочности, разработанный Л. И. Бароном в Институте горного дела им. А. А. Скочинского, является более простым вариантом метода Л. А. Шрейнера.
По этому методу производится вдавливание цилиндрического штампа с плоским основанием и диаметром 2—3 мм в нешлифованную поверхность образца.
Контактная прочность (твердость) образца определяется по величине нагрузки в момент хрупкого разрушения (выкола лунки под штампом), отнесенной к площади штампа.

Статичная и контактная прочности связаны между собой соотношением

Динамическая твердость может быть определена методом Шора:
на поверхность породы с определенной высоты сбрасывается боёк со сферическим алмазным наконечником.
За показатель твердости принимается высота отскока бойка.
Твердость пород указывает на их сопротивляемость разрушению при воздействии бурового инструмента и поэтому определяет производительность буровых установок.

Твердость породы всегда выше предела прочности при одноосном сжатии, так как она наиболее соответствует прочности породы при сложном всестороннем сжатии.
Наиболее трудно разрушению поддаются породы, имеющие как высокий предел прочности, так и большую зону пластической деформации. Такие породы являются вязкими.

– сцепление, сопротивление породы силам, стремящимся разъединить её частицы.
Показатель вязкости горных пород пропорционален сопротивлению породы силам, стремящимся разъединить ее частицы.
Он определяется пластическими свойствами породы, отношением пределов прочности при растяжении и сжатии, и значением предела прочности породы при сдвиге.
Вязкость

Общепризнанного метода определения вязкости не существует.
В ряде случаев показатель вязкости оценивают отношением сопротивления, которое оказывает порода при отделении некоторой ее части от массива, к такому же сопротивлению известняка, принятого за эталон.
Так как вязкость прямо пропорциональна произведению пластичности породы на ее прочность, то эту величину можно принять в качестве физического аналога вязкости (В) пород.

Хрупкость и пластичность пород
Пластичность пород увеличивает энергоемкость дробления и измельчения породы.
Так как пластические свойства пород и обратные им – хрупкие существенно сказываются на процессах разрушения, в практике горного производства используют различные горно-технологические показатели пластичности и хрупкости.

Коэффициент пластичности

Технологический показатель пластичности - параметр, определяющий, во сколько раз удельная работа разрушения образца реальной породы Ар при одноосном сжатии выше удельной работы разрушения идеально упругой породы Ау с тем же пределом прочности при сжатии.
Удельную работу разрушения определяют по площади диаграммы напряжение-деформация

Хрупкость пород – это способность пород без заметных упругих и пластических деформаций долго сопротивляться внешнему давлению, а затем мгновенно разрушаться.
Для оценки хрупких свойств пород введен коэффициент хрупкости kхр,, представляющий собой отношение работы Ау, затраченной на деформирование образца в чисто упругой области, к полной работе Ап, затраченной на разрушение образца

коэффициент хрупкости можно рассчитать
по отношению пределов прочности породы при сжатии и растяжении
или по отношению предела упругости σЕ и предела прочности при сжатии σсж

Идеально пластичные и хрупкие породы имеют соответственно kхр= 0 и кхр= 1,0.
У реальных пород кхр= 0,05 - 0,6 (например у мрамора 0,067; роговика 0,19; джеспилита 0,5).
Как правило, более высокие значения коэффициента хрупкости имеют породы с большими значениями сжимающих напряжений и модулями Юнга.
Знание коэффициента хрупкости горных пород позволяет объективно оценивать предрасположенность горных пород к хрупкому разрушению в процессах горного производства позволяет (бурение, дробление, взрывание, управление горным давлением, прогнозирование горных ударов и выбросов)

Абразивность
– способность породы изнашивать при трении буровой инструмент, конвейерную ленту и пр.
Абразивность оценивают по износу материала, контактирующего с горной породой.
К испытуемому образцу породы прижимают вращающееся кольцо из материала, по отношению к которому определяется абразивность породы.
Кольцо взвешивают до начала опыта и после определенного количества оборотов.
Вычисляют износ (в см/м) материала кольца, приходящийся на 1 м пути его движения по породе.

Износ на единицу пути
F - Сила, под действие которой кольцо прижимается к породе

В ИГД им. А. Л. Скочинского разработана упрощенная методика определения относительной абразивности горных пород. Сущность ее заключается в истирании о поверхность образца горной породы торца вращающегося стержня из незакаленной стали и последующих определений массового износа стержня.
За критерий абразивности принимают суммарную потерю массы стержня (в мг) за стандартное время опыта 10 мин. При этом истирание стержня производится при осевой нагрузке 150 Н и частоте вращения 400 об/мин.
Степень истирания инструмента породой зависит от формы минеральных частиц в породе (например, острые или округлые) и твердости этих частиц.

Дополнительно обуславливают абразивность пород -
прочность на сжатие минеральных зерен
и их коэффициент хрупкости

Наиболее абразивные - порфириты, диориты, граниты, корундосодержащие породы

Взрываемость
– степень сопротивляемости пород разрушению взрывом, породы разделены на 16 категорий (по Союзвзрывпрому).
комплексная характеристика, которая изменяется в широких пределах и зависит от крепости, хрупкости, пластичности, трещиноватости, слоистости, степени выветривания и других свойств.
Однако попытки напрямую связать взрываемость, например с буримостью, часто приводят к ошибкам, так как во многих случаях легкобуримые и труднобуримые породы по отношению к взрывному разрушению оказываются равнозначными.

Взрываемость горных пород оценивается по показателю трудности разрушения горных пород Пр. Для расчета трудности разрушения горных пород необходимо знание плотностных и прочностных характеристик горных пород
Пр=0,05*[kт*(σсж+ τсдв+ σраст) + γ*g],
где kт– коэффициент трещиноватости;
σсж– предел прочности горной породы при одноосном сжатии, МПа;
τсдв– предел прочности при сдвиге;
σраст– предел прочности при растяжении, Мпа;
γ – плотность породы.

Характеристикой взрываемости является «удельный расход ВВ»- заряд эталонного ВВ, необходимый для разрушения 1 куб.м породы до кусков определенной крупности при стандартных условиях взрывания.
Удельный эталонный расход ВВ [qэ, г/м3] рассчитываем по прочностным и плотностных свойствам горных пород
qэ=0.2[(σсж+ τсдв+ σрт) + γ*g], г/м3

Взрываемость может быть определена также расходом эталонного ВВ на образование воронки нормального выброса зарядом определенной формы.
Условия проведения испытаний: заряд помещают в шпур диаметром 40 мм, пробуренный под углом 45° к горизонтальной свободной поверхности при глубине заложения 1 м

Классификация пород по трудности взрывания

Дробимость является обобщающим параметром многих механических свойств пород, в том числе упругих, прочностных и пластических.
Дробимость выражает энергоемкость процесса дробления породы приложением к ней динамической нагрузки и, как показывают исследования, лучше коррелирует с динамическими методами разрушения пород, чем σсж.

Методы определения дробимости пород обычно основываются на оценке удельного расхода энергии на дробление определенного объема породы.

Определяется одиночным сбрасыванием на образец груза массой 16 кг с высоты 0,5 м. Дробимость устанавливается по объему образованных в результате удара частиц диаметром менее 7 мм.)

Дробимость D пород является параметром, обратным вязкости, поэтому для его приближенной оценки можно использовать параметры, применяемые при расчете вязкости.

Горнотехнологические параметры пород подразделяются на несколько групп по принципу принадлежности к определенным процессам технологического воздействия.
Параметры, характеризующие общую разрушаемость пород механическим способом, например твердость, крепость, вязкость и дробимость.
Параметры, характеризующие разрушаемость пород определенными механизмами: буримость, сопротивляемость резанию, зарубаемость, взрываемость, удельные усилия внедрения и т. д.
Параметры, оценивающие воздействие породы на инструмент, например абразивность.
Параметры, оценивающие качество полезных ископаемых, например коксуемость — для углей, морозостойкость и термостойкость — для строительного камня.

Параметры, устанавливающие производительность или эффективность иных процессов воздействия на горные породы (кроме разрушения), например обогатимость, флотируемость, экскавируемость, устойчивость в отвалах и т. д.
Параметры, определяющие особое поведение пород при разработке месторождений полезных ископаемых, — выбросоопасность, метаноносность, самовозгораемость и др.
Параметры, оценивающие эффективность воздействия на горные породы различными немеханическими методами с целью их разрушения, упрочнения, плавления и т. д., например термобуримость, критерий эффективности нагрева токами высокой частоты, электротермомеханическая разрушаемость и др.

Горнотехнологические параметры рыхлых и связных пород
Параметры строения рыхлых пород. К параметрам строения относят гранулометрический состав пород, дисперсность, удельную поверхность.
Гранулометрический состав рыхлой породы характеризует строение по процентному содержанию в ней частиц различной крупности.
Гранулометрический состав пород играет особую роль в процессах гидромеханизации: при определении удельного расхода воды на разработку и транспортирование, наименьшего допустимого уклона подошвы забоя и лотков, критической скорости и других параметров. Его необходимо знать также при процессах транспортирования конвейерами, грохочения, дробления, обогащения и переработки пород.

Дисперсность — мера раздробленности рыхлых пород, равная величине, обратной среднему размеру частиц грунта. Часто вместо дисперсности используют понятие удельной поверхности, т. е. площади поверхности частиц грунта на границе раздела фаз, приходящейся на единицу объема дисперсной фазы.
С уменьшением размеров частиц происходит увеличение как дисперсности, так и удельной поверхности.
Удельная поверхность рыхлых и связных пород позволяет оценивать их прочностные, фильтрационные свойства и степень активности взаимодействия породы с внешней средой. Например, чем больше дисперсность горной породы, тем более существенно на нее влияние влаги.

Насыпная масса — это масса единицы объема рыхлой горной породы в ее насыпном состоянии. Насыпная масса зависит от коэффициента разрыхления породы, равного отношению объема разрыхленной породы Vp к ее объему в целике Vц.
Коэффициент разрыхления практически всегда больше единицы, поскольку объем разрыхленной породы больше величины Vц за счет дополнительного объема трещин и пустот.
Коэффициент разрыхления, в свою очередь, зависит от гранулометрического состава разрыхленной породы, формы и взаимного расположения ее кусков. Он в первую очередь обусловлен характером и качеством дробления породы.
Параметры взаимодействия воды и породы. В дисперсных и глинистых породах вода воздействует на минеральную фазу, в связи с чем возникает ряд особых эффектов, обычно не наблюдаемых в скальных породах.
К ним относятся:
Набухание пород — способность пород увеличивать свой объем при насыщении водой. Оно обычно характеризуется коэффициентом набухания, равным отношению объема набухшей породы к ее первоначальному объему.

Угол естественного откоса ψ- угол, сформированный свободной поверхностью насыпного груза с горизонтальной плоскостью, град.

Угол естественного откоса ϕ0 — это угол, образованный свободной поверхностью рыхлой горной массы с горизонтальной плоскостью. Частицы породы, находящиеся на этой поверхности, испытывают состояние критического (предельного) равновесия. Угол естественного откоса связан с коэффициентом трения и зависит от шероховатости частиц породы, степени ее увлажнения, гранулометрического состава и формы, а также от плотности.
С увеличением влажности горной породы до некоторого предела (для угля, например, до 14%) угол естественного откоса возрастает. Этот угол увеличивается также с увеличением крупности и угловатости частиц породы.
По углам естественного откоса определяют максимально допустимые углы откосов уступов и бортов карьеров, насыпей, отвалов и штабелей.

Набухание происходит в результате проникновения воды между пакетами кристаллических решеток ряда минералов. Коэффициент набухания глин колеблется от 2 до 1,5, супесей — от 1,5 до 1,05, у песков он равен 1.
Набухание горных пород отрицательно влияет на горные выработки: в сочетании с горным давлением оно вызывает явление пучения и приводит к деформации выработок, разрушению крепи, сдвижению железнодорожных путей и т. д.
Процесс набухания — обратимый. Под влиянием испарения влаги порода способна уменьшать свой объем. Это явление называется у с а д к о й.