» » Разрабатываемость горных пород

Разрабатываемость горных пород

02.08.2016

Инженерно-геологическая оценка разрабатываемости горных пород основывается на определении сопротивления породы различного рода воздействиям, главным образом механическим, меняющим их состояние: ударам, сдвигу, уплотнению, перемещению. В общем случае различают естественное или искусственное (взрывом, механическим дроблением и т.д.) изменение состояния горных пород.
Для ведения очистных работ в забое необходимо знать физико-технические свойства и характеристики горных пород в естественном залегании, а для дробления, погрузки, перемещения, складирования — свойства уже искусственно измененных, которые зависят от состояния и свойств горных пород в естественном залегании, а также от способа и вида искусственного воздействия,
В зависимости от цели различными будут характер и способы технологического воздействия на горные породы. Именно они определяют номенклатуру свойств и объем, в пределах которого важно знать те или иные из них, так как свойства пород в различных объемах могут быть разными, например, из-за блочности. На различных стадиях разработки состояние разрушенной или измельченной породы будет также неодинаково, а следовательно, неодинаковыми будут и многие свойства, например, в навале после взрыва, рудоспуске, транспортной емкости и т.д.
Для выявления разрабатываемости горных пород следует пользоваться так называемыми горно-технологическими параметрами. Они представляют собой комплексные показатели горных пород, которые характеризуют их поведение при воздействии определенным инструментом, механизмом или при определенном технологическом процессе. Эти параметры устанавливаются эмпирическим путем при проведении контрольных испытаний в стандартных исходных условиях. Каждый конкретный параметр может быть использован в дальнейшем только для данного вида воздействия и только для тех пород, для которых он определен.
Показатели разрабатываемости горных пород. По принадлежности к определенным процессам технологического воздействия горно-технологические параметры, согласно В.В. Ржевскому и Г.Я. Новику, подразделяются на следующие группы:
1) характеризующие общую разрушаемость горных пород механическим способом; это, например, твердость, крепость, вязкость, дробимость;
2) показывающие разрушаемость горных пород некоторыми механизмами; это буримость, сопротивляемость резанию, зарубаемость, взрываемость, удельные усилия внедрения и т.д.;
3) оценивающие воздействие породы на инструмент; например абразивность;
4) устанавливающие производительность или эффективность иных (кроме разрушения) процессов воздействия на горные породы; например экскавируемость.
Твердость горных пород характеризует их поведение в случае сложного напряженного состояния и обусловливает сопротивляемость внедрению в них острого инструмента. Для пород используются показатели статической и динамической твердости, получаемые соответственно вдавливанием или ударом наконечника. Динамическая твердость близка к упругости пород. Твердость пород определяет производительность бурильных установок, потребность в армировании головок бура твердыми сплавами и т.д.
Наиболее трудно поддаются разрушению породы, имеющие высокий предел прочности и большую зону пластической деформации. Такие породы относятся к вязким. Показатель вязкости горных пород пропорционален сопротивлению пород силам, стремящимся разъединить их частицы. Он зависит от пластических свойств пород, отношения пределов прочности при растяжении и сжатии, а также от предела прочности породы при сдвиге. 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.
Дробимость — обобщающий параметр многих механических свойств пород, в том числе упругих, прочностных и пластических. Она выражает энергоемкость процесса дробления породы приложением к ней динамической нагрузки. Методы выявления дробимости пород обычно основываются на оценке удельного расхода энергии на дробление определенного объема породы. Дробимость пород — величина, обратная вязкости.
Коэффициент хрупкости горных пород возрастает с ростом предела прочности при одноосном сжатии. Он представляет собой величину, обратную коэффициенту пластичности.
Абразивность отражает способность пород изнашивать при трении контактирующие с ними твердые тела (детали горных машин, инструмент и т.п.). Она обусловлена в основном прочностью, размерами и формой минеральных зерен, слагающих породу. Оценивают ее по степени износа инструмента при сверлении или резании, а также по степени истирания пород абразивными материалами. Наиболее абразивны корундсодержащие породы, порфирит, диорит, гранит. Абразивность влияет на эффективность бурения, резания, скалывания, черпания горных пород.
Сопротивляемость пород резанию (скалыванию) характеризуется работой, необходимой для измельчения породы, а также количеством и степенью ее измельчения, которые определяются при имитации работы добычных механизмов. Поскольку этот показатель физически отражает сопротивление сколу (срезу) при сжатии, его можно оценивать величинами прочности на сжатие и растяжение, с которыми установлена корреляционная связь.
Сопротивляемость резанию является наиболее важным параметром применительно к углям, так как большинство угольных пластов разрабатывается угольными комбайнами, стругами и другими механизмами, к основным процессам при работе которых относится резание.
Как известно, при разработке угольного пласта изменяется его напряженно-деформационное состояние. Возникающие при этом повышенные растягивающие напряжения могут приводить к снижению прочности угля. Снижение прочности и нарушение сплошности угля при ведении очистных работ называют отжимом, а область, в которой это происходит, — зоной отжима. Здесь сопротивляемость угля резанию иная, чем в глубине массива. Поэтому для практических расчетов определяют два показателя: сопротивляемость угля разрушению при резании в неотжатой части массива А и резанию в призабойной части массива Ав.
Сопротивляемость угля резанию зависит от его петрографического состава, степени метаморфизма, трещиноватости, наличия породных прослойков и твердых минеральных включений, глубины залегания, мощности и строения пластов, а также от строения и свойств боковых пород. Эта величина изменяется от 30 до 600 кН/м. По значению А угли разделяют на группы. От первой группы к каждой последующей повышается сопротивляемость угля резанию и требуется повышение энергоемкости применяемых выемочных машин.
Связные и рыхлые, а также предварительно ослабленные твердые породы отделяют от массива режущими кромками и зубьями выемочных агрегатов. Основные разрушающие напряжения при этом — сжимающие и сдвигающие, поэтому в процессе резания основную роль играют прочностные параметры пород. При работе выемочных агрегатов, например экскаваторов, выемка (копание) породы производится последовательным отделением стружек в слое. Трудоемкость процесса выемки определяется величиной удельного сопротивления копанию (в Н/м2). Для сопоставления пород по экскавируемости применяется относительный показатель трудности экскавации породы.
Буримость характеризует сопротивляемость горных пород разрушению в процессе бурения. Она оценивается скоростью, временем и энергоемкостью бурения единицы длины скважины или шпура при стандартных условиях проведения опыта для каждого типа буровой машины. Буримость ухудшается с увеличением плотности, прочности, вязкости, твердости, абразивности горных пород, зависит от их минерального состава, строения и термодинамических условий, в которых они находятся. В существующих классификациях горные породы по буримости разделяют на 20 категорий, объединяемых в группы: легко- (каменный уголь), средне-(мергель), трудно- (габбро) и весьма труднобуримые (кварциты). Буримость учитывается при выборе породоразрушающего инструмента, расчете параметров технологии бурения, а также при нормировании, планировании, учете и организации буровых работ в конкретных горно-геологических условиях.
Взрываемость отражает сопротивляемость горных пород разрушению при взрыве и количественно выражается расходом BB на дробление 1 м3 породы в массиве (удельным расходом BB). Взрываемость зависит от прочности, вязкости, упругих и пластических свойств, плотности горных пород, а также от их структурно-текстурных особенностей (зернистости, слоистости) и трещиноватости. Среди массивов горных пород по взрываемости различают легко-, средне-, трудно- и весьма трудновзрываемые. Оценка взрываемости используется для проектирования взрывов, технологии и организации взрывных работ, расчета расхода ВВ.
Физико-механические и физико-химические свойства горных пород по-разному влияют на их поведение при перемещении механическими транспортными средствами. В качестве основы сопоставления пород по сопротивляемости их перемещению принимается относительный показатель трудности транспортирования породы.
На выбор транспортных средств по степени использования их емкости и износостойкости основное воздействие оказывают плотность, прочность и гранулометрический состав перемещаемой породы. На трудность разгрузки породы, связанную с ее налипанием и примерзанием к рабочим поверхностям транспортных средств, влияют содержание глинистых частиц и влажность породы, а также время транспортирования и температура воздуха. По трудности транспортирования, учитывающей все рассмотренные факторы, горные породы делятся на пять классов.
Для сравнения различных пород по разрушаемости используется показатель относительной крепости пород — коэффициент крепости М.М. Протодьяконова f. В первом приближении его значение прямо пропорционально пределу прочности σсж пород, т.е. f = σсж/100. В классификации по крепости выделяется 10 категорий горных пород. Максимальная величина коэффициента (f = 20) характеризует породы первой категории, имеющие наивысшую крепость (кварциты, базальты); к десятой категории (f = 0,3) относятся наиболее слабые плывучие породы.
Общая относительная оценка сопротивления породы разрушению производится с учетом напряжений сжатия, сдвига и растяжения по методике В.В. Ржевского. Определяемый в зависимости от степени расчлененности трещинами, объемной массы, сцепления, пределов прочности на сжатие, сдвиг и растяжение показатель трудности разрушения предназначается для общей технологической оценки горной породы как объекта разработки. По величине этого показателя различают пять классов пород и 25 категорий. Применение этого показателя позволяет выбрать способ механизации горных работ и основное оборудование по процессам.