Основы геологии и горно-технологические параметры горных работ

Основы геологии и горно-технологические параметры горных работ. Оглавление: Основы геологии и горно-технологические параметры горных работ. 1 Горные породы. Формы и элементы залегания горных пород. 1 Понятие о горных породах 1 Характеристика горных пород 1 Происхождение и классификация горных пород 1 Физико-механические свойства горных пород, определяющие условия проведения горноразведочных выработок: их влияние на технологию проведения горных выработок. 6 Крепость 6 Твердость 6 Вязкость 7 Упругость 8 Абразивность 9 Устойчивость 9 Трещиноватость горных пород 10 Водообильность пород 11 Буримость. 14 Количественный показатель буримости 14 Классификация горных пород по буримости 15 Взрываемость. 16 Объемным вес 17 Разрыхляемость. 18 Угол естественного откоса; 19 Угол естественного откоса 19 Классификация горных пород по происхождению. 21 Горные породы. Формы и элементы залегания горных пород. Понятие о горных породах Агрегаты (скопления) более или менее постоянного минерального (а значит, и химического) состава и строения называются горными породами. По происхождению они подразделяются на три группы: магматические, осадочные и метаморфические. Магматические горные породы образуются в результате застывания магмы — горячего расплава, внедряющегося в верхние зоны земной коры из глубоких недр. Все отложения, образованные под воздействием внешних сил, получили название осадочных горных пород. В природе, в зависимости от условий образования, различают три группы осадочных горных пород: обломочные, хемогенные и органогенные. Как осадочные, так и магматические горные породы при погружении па большие глубины под влиянием повышенного давления п высоких температур, а также под воздействием поднимающейся снизу магмы подвергаются значительным изменениям, или иначе, метаморфизму. В результате метаморфизма они преобразуются в новые породы — метаморфические. Характеристика горных пород Натуральный камень – древнейший строительный материал. В связи с трудоемкостью обработки раньше из него возводили в основном культовые, оборонительные и дворцовые сооружения, многие из которых считаются чудесами света – египетские пирамиды, пирамида ацтеков, Великая Китайская стена, мавзолей Тадж Махал... Сегодняшний уровень развития камнеобработки позволяет использовать камень в массовом строительстве – как для внешней, так и для внутренней отделки зданий.  Но у каждого камня есть свои особенности, которые объясняются его физическими свойствами. Происхождение и классификация горных пород Камень относится к числу горных пород. Горными породами называют природные образования, состоящие из отдельных минералов и их ассоциаций (объединений) . Изучением состава, происхождения и физических свойств горных пород занимается наука петрография. Согласно ее данным, по своему происхождению все породы делятся на три основные группы: 1. Магматические (первичные) 2. Осадочные (вторичные) 3. Метаморфические (видоизмененные). Магматические породы образовались непосредственно из магмы (расплавленной массы преимущественно силикатного состава), в результате ее охлаждения и застывания. В зависимости от условий застывания различают глубинные и излившиеся горные породы.  Глубинные возникли в результате постепенного остывания магмы при высоком давлении внутри земной коры. В этих условиях составляющие магмы кристаллизовались, благодаря чему образовались массивные плотные породы с полнокристаллической структурой: граниты, сиениты, лабрадориты и габбро.  Излившиеся породы образовались в результате вулканического извержения магмы, которая быстро остывала на поверхности при низкой температуре и давлении. Времени для образования кристаллов было недостаточно, поэтому породы этой группы имеют скрыто или мелкокристаллическую структуру и большую пористость: порфиры, базальты, вулканические туфы, пеплы и пемзы. Осадочные горные породы называют вторичными, поскольку они образовались в результате разрушения изверженных пород или из продуктов жизнедеятельности растений и животных организмов. Один из способов формирования этих горных пород – химические осадки, образующиеся в процессе высыхания озер и заливов. В результате в осадок выпадают различные соединения, которые со временем превращаются в травертин, доломит. Общая особенность этих пород – пористость, трещиноватость, растворяемость в воде.  К обломочным осадочным породам относятся сцементированные отложения (песчаники, брекчии, конгломераты) и рыхлые (пески, глины, гравий и щебень). Сцементированные отложения образовались из рыхлых. Например, песчаник – из кварцевого песка с известковым цементом, брекчия – из сцементированного щебня, а конгломерат – из гальки. Еще известны породы органического происхождения – известняки и мел. Они образуются в результата жизнедеятельности животных организмов и растений. Метаморфические породы образовались путем превращения изверженных и осадочных горных пород в новый вид камня под воздействием высокой температуры, давления и химических процессов. Среди метаморфических пород различают массивные (зернистые), к которым относятся мрамор и кварциты, а также сланцеватые – гнейсы и сланцы. Свойства горных пород Декоративность  Важное свойство горных пород, позволяющее использовать их в качестве облицовочного материала, – декоративность. Имеется в виду эстетическая привлекательность природного камня, в первую очередь его цвет и рисунок.  Прочность  Если говорить об использовании натурального камня в строительстве, то в этом смысле одним из важнейших его свойств является прочность, от которой зависит износостойкость материала. Чем прочнее камень, тем дольше он прослужит.  В зависимости от твердости минералов, входящих в состав горной породы и в значительной степени определяющих ее свойства, камни условно делятся на три группы:  прочные – кварциты, граниты, габбро;  средней прочности – мрамор, известняки, травертины;  низкой прочности – рыхлые известняки, туфы. Плотность  Плотность – это масса единичного объема вещества. От этого показателя зависит вес конструкции: чем выше плотность камня, тем конструкция будет тяжелее. По плотности камни делятся на легкие (плотность до 2200 кг/м3) и тяжелые (плотность более 2200 кг/м3). Плотность зависит от пористости породы и минералов, входящих в ее состав. Пористость  Пористость камня, который используется в качестве облицовочного материала, является одной из важнейших его характеристик. От пористости зависит водопоглощение и, соответственно, соле и кислотостойкость. А это основные показатели, влияющие на долговечность материала. Кроме того, общая пористость определяет прочность, теплопроводность, полируемость, обрабатываемость, декоративность камня и другие качественные характеристики. С повышением общей пористости снижается прочность и объем камня, ухудшается его полируемость, но уменьшается вес изделия и улучшается его способность к обработке.  Водопоглощение, соле, кислото и морозостойкость  Другим важным свойством горных пород, связанным с пористостью, является показатель водопоглощения. От него и от минерального состава материала зависит кислото- и солестойкость камня, а также его морозостойкость. Ведь при замерзании вода в порах увеличивается в объеме на 9%, создавая мощное давление. Вода, проникая в поры материалов, оставляет на них после высыхания концентрированные растворы солей. Из них начинается рост кристаллов, создающих огромное кристаллизационное давление. При высоком водопоглощении и низкой пористости под этим давлением в материале образуются трещины. При высокой пористости камня кристаллизационное давление распределяется равномерно, и новые трещины не образуются (яркий пример – известняк). Кислотостойкость – свойство пород и материалов реагировать с различными кислотами, разрушая или преобразовывая горные породы. Мрамор реагирует на кислоты, в том числе на пищевые (лимонная, уксусная). Мрамор, травертины, известняки и доломиты разрушаются от действия соляной кислоты. Правда, в природе в свободном виде она не встречается, но в городах, где хлориды используют для борьбы со снегом, этот фактор риска значительно возрастает.  Все это означает, что в наружной отделке зданий лучше использовать породы, которые не разрушаются под воздействием неблагоприятных факторов и долго сохраняют свой внешний вид, гранит и известняк. Известняк хорош для цокольных конструкций. Недаром во всех крупных городах, стоящих в долинах рек и имеющих многовековую историю (Лондон, Париж, Кельн, Москва), все цоколи зданий сложены из известняка. В Москве, кстати, из известняка сложен цоколь стен и башен Московского Кремля. Для цоколя можно использовать и гранит, но в этом случае движение солей пойдет по кладочным швам. Значения основных характеристик пород находятся в следующих значениях:  плотность 1100-4700 кг/м3;  модуль продольной упругости 5•109-1,5•1011 Па; коэффициент Пуассона 0,15-0,38;  Коэффициент Пуассона (обозначается как ν {\displaystyle \nu } или μ {\displaystyle \mu } ) — величина отношения относительного поперечного сжатия к относительному продольному растяжению. Этот коэффициент зависит не от размеров тела, а от природы материала, из которого изготовлен образец. Коэффициент Пуассона и модуль Юнга полностью характеризуют упругие свойства изотропного материала[1]. Безразмерен, но может быть указан в относительных единицах: мм/мм, м/м. предел прочности при сжатии до 5•108 Па;  предел прочности при растяжении до 2,0•107 Па;  коэффициент теплопроводности 0,2-10 Вт/(м•К);  удельная теплоёмкость 0,5-1,5 кДж/кг•К;  коэффициент линейного теплового расширения 2*10-6-4*10-4К-1;  удельное электрическое сопротивление 10-2-1012 Ом•м;  относительная диэлектрическая проницаемость 2-30;  магнитная восприимчивость 10-7- 3,0. Классификация пород по степени истираемости Группа истираемости Породы и материалы Натуральный износ при интенсивности человекопотока 1 млн. чел. в год (мм) 1 Кварциты и породы группы гранита менее 0,12 2 Базальты, микрокристаллический мрамор 0,12-0,35 3 Рыхлые базальты, мрамор, песчаники, доломиты 0,35-0,6 4 Мраморизованные известняки, травертины, известняки, туфы 0,6-1,5 5 Рыхлые известняки 1,5-2,5 Применение горных пород Граниты  Гранит (от латинского «гранум» – зерно) – самая распространенная горная порода. Имеет ярко выраженную зернисто-кристаллическую структуру и состоит в основном из полевых шпатов, кварца, слюды и других минералов. По величине зерен граниты делятся на мелкозернистые, среднезернистые, крупнозернистые. Цветовая «палитра» гранита чрезвычайно богата. Чаще всего встречается серый гранит разных оттенков – от светлого до темного. Бывает также розовый, оранжевый, красный, голубовато-серый и иногда голубовато-зеленый гранит. Исключительно редки граниты с голубым кварцем. Наиболее ценными в декоративном отношении считаются следующие разновидности гранитов: мелкозернистые светло-серые с голубым оттенком, насыщенно темно-красные и зеленовато-голубые. Гранит хорошо полируется, сохраняя зеркальный блеск поверхности в течение долгого времени, легко поддается теске, что позволяет создавать различные фактуры. Для создания декоративных эффектов некоторые разновидности гранитов подвергают термической обработке. Светло-серые граниты приобретают после этого нежный сахарно-белый оттенок.  Благодаря своим высоким механическим показателям и эксплуатационным свойствам гранит широко применяется в строительстве цокольных конструкций, в облицовке набережных, фасадов зданий, а также пола в местах с большим человекопотоком. Мелкозернистый гранит используют в скульптуре (поскольку его структура позволяет проводить ударную обработку), а крупнозернистый – для возведения монументальных сооружений. Очень часто к гранитам относят сиениты, которые отличаются от гранитов менее выраженной зернистостью и отсутствием кварца (благодаря этому они лучше поддаются обработке). Сиениты темнее гранитов: обычно они имеют серый, темно-серый, серо-голубой, темно-розовый цвета. Применяются в строительстве точно так же, как и граниты. Габбро  Габбро – глубинная зернисто_кристаллическая порода. Имеет ту же структуру, что и гранит: мелко-, средне- и крупнозернистую. Отличается повышенной вязкостью и стойкостью к выветриванию. В габбро отсутствует кварц, поэтому камень легко поддается механической обработке, очень хорошо полируется и долго сохраняет блеск поверхности. Габбро представлен цветовыми оттенками от темного серо-зеленого до черного. Благодаря некоторой прозрачности плагиоклаза полированная поверхность камня приобретает хорошо выраженную глубину, что выгодно отличает габбро от других горных пород черного цвета. Например, от базальта. Довольно эффектно выглядит сочетание черного полированного и светло-серого сколотого габбро, которое используют при составлении рисунков и орнаментов. В качестве облицовочного материала обычно применяют мелкозернистый зеленовато-черный и черный габбро. Габбро отлично переносит морозы. Поэтому его широко используют для облицовки фасадов, отделки общественных зданий, при создании монументальных сооружений, реже – в частных интерьрах. Полы из габбро в местах с интенсивным движением быстро теряют полировку. Лабрадориты  Название этому камню дал полуостров Лабрадор, где он был впервые обнаружен. Лабрадорит – глубинная зернисто-кристаллическая порода, основным составляющим которой является плагиоклаз лабрадор. Выделяют два вида лабрадоритов: черные и серые. Чаще встречаются черные лабрадориты.  Особенный декоративный эффект придают этому камню мерцающие радужные пятна на поверхности: сине-зеленых, васильковых, золотисто-желтых, красных оттенков. Камни в голубых, синих и зеленоватых тонах увеличивают декоративную ценность породы. Лабрадорит чаще всего используется в полированном виде. Камень обладает высокой прочностью и морозостойкостью, что позволяет с успехом применять его во внешней отделке зданий. Но его используют и внутри помещений – для облицовки полов, цоколей стен, колонн. Кстати, черный лабрадорит использовали при строительстве храма Христа Спасителя в Москве в 1851 году. Песчаники  Песчаник – осадочная порода, состоящая из сцементированного песка. К наиболее прочным относятся кремнистые песчаники. Песчаники бывают серого, зеленого, красного, желтого, коричневого и бурого цветов. Декоративными считаются мелко-зернистые красные, шоколадно-коричневые и зеленые разновидности песчаника, которые с успехом используются для наружной облицовки. В московских и петербургских зданиях, построенных в XIX – начале XX века, хорошо сохранилась облицовка из польского песчаника серо-зеленого, желтого и розового оттенков. А Соборная площадь Московского Кремля облицована люберецким песчаником.  Однако песчаник довольно пористый материал, поэтому использовать его для отделки элементов, соприкасающихся с водой, нежелательно (в первую очередь речь идет о цокольных конструкциях). Песчаники не поддаются полировке, поэтому самые популярные фактуры песчаника – фактура скалывания, пиленая, иногда шлифованная фактура. Известняки  Это порода органического и органо_химического происхождения, состоящая главным образом из кальцита, часто с примесью кварца, глинистых и песчаных частиц. Нередко содержит остатки известковых скелетов ископаемых организмов. Известняки имеют белый, светло-серый, желтоватый, реже – розоватый цвета. Наиболее ценными в декоративном смысле считаются белые известняки с желтым и розовым оттенком. В зависимости от структуры известняк делится на плотный, пористый и мраморовидный. Плотные известняки используются при изготовлении плит для наружной и внутренней облицовки. К ним относятся, в частности, знаменитые мячковские, коробчеевские и ковровские известняки, из которых русские архитекторы возводили чудеса белокаменного зодчества. В группе известняков встречаются и морозостойкие разновидности. Чтобы в этом убедиться, достаточно посмотреть на прекрасно сохранившиеся постройки XIII – XIV веков. Среди пористых известняков тоже выделяют несколько разновидностей. Например, оолитовые известняки имеют грубозернистую структуру с округлыми кальцитовыми образованиями. Обычно они применяются как строительный материал для стен, реже – для облицовки фасадов. Ракушечные известняки (ракушечники) – довольно пористые породы, состоящие из раковин моллюсков и их обломков, скрепленных известковым цементом. Некоторые виды ракушечников считаются декоративными: например, чисто-белые, розовые, золотисто-желтые с большим содержанием ракушек. Ракушечники легко поддаются обработке режущим инструментом, а некоторые виды можно даже полировать (правда, без получения декоративного блеска). Ракушечники широко используются в качестве строительного материала для стен, а также для наружной и внутренней облицовки зданий. Мрамор  Название «мрамор» произошло от греческого «мармарос», что значит – блестящий. Эта зернисто-кристаллическая порода появилась в результате перекристаллизации известняка и доломита под воздействием высокой температуры и давления. Но в строительстве словом «мрамор» называют не только этот камень, но и другие породы, похожие на него. Например, мраморовидные известняки и доломиты. В подавляющем большинстве мрамор хорошо поддается обработке любыми инструментами, что позволяет расширить и без того богатый спектр его цветов. Например, полировка усиливает рисунок и цвет мрамора, шлифовка снижает его яркость и четкость,а фактура скалывания абсолютно скрывает рисунок, но значительно осветляет общий фон. Хотя это можно отнести к любому камню. По декоративным свойствам, возможностям обработки и широте применения мрамор делят на белый, серый и цветной.  Белый мрамор практически не содержит примесей, поэтому он часто однороден, имеет мелко- и среднезернистую структуру. Этот мрамор легко поддается обработке. Наиболее ценным считается мелкозернистый белый мрамор, который славится теплым тоном и тем, что он просвечивается. Этот камень также называют статуарным, так как его широко используют в скульптуре. Белый мрамор считается очень капризным, домашним камнем, что связано с его особой структурой: он слабо защищен от образования пятен и пожелтения. Это касается в первую очередь недорогих сортов. Такой мрамор следует с осторожностью применять при облицовке фасадов. Безусловно, его технические характеристики позволяют переживать и лютые морозы, и механические повреждения, однако через некоторое время он может потерять свою красоту и блеск, потускнеть и покрыться желтыми пятнами. Серый мрамор чаще всего неоднороден имеет слоистую расцветку. Характерный рисунок серого мрамора – «облачный» и «снежно-пейзажный». Этот вид мрамора легко обрабатывается и полируется. Его так же как и белый мрамор используют для наружной и внутренней облицовки. Среди цветного мрамора редкими считаются сине-голубые разновидности. Все они хорошо поддаются полировке. Теплостойкие качества мрамора позволяют применять этот камень для наружной облицовки каминов или помещений, связанных с повышенной температурой. Коэффициент водопоглощения мрамора так же, как у гранита, довольно низкий, поэтому его можно использовать при строительстве бассейнов, ванн и фонтанов. Но лучше всего отделывать мрамором интерьеры. Кварцит  Мелкозернистые породы, которые образовались при перекристаллизации кремнистых песчаников и состоят в основном из кварца. Бывают серого, розового, желтого, малиново-красного, темно-вишневого и иногда белого цветов. Кварцит считается очень красивым камнем, особенно малиново-красные и темно-вишневые его разновидности. Фактура скалывания значительно осветляет общий фон камня, чем часто пользуются, совмещая ее с контрастным цветом полированной фактуры. Кварцит отличается очень высокой твердостью и относится к труднообрабатываемым материалам, однако поддается полировке очень высокого качества.  Этот камень применяют в монументальном искусстве и при строительстве уникальных архитектурных сооружений (например, при сооружении храма Спаса на Крови). Кроме того, на протяжении многих столетий кварцит использовался и как ритуальный камень: из него сделан саркофаг Наполеона, Александра II, верхняя часть Мавзолея Ленина. Сланец  Эта плотная и твердая горная порода образовалась в основном из сильно уплотнившейся глины, которая частично перекристаллизовалась под высоким односторонним давлением. Характерная особенность сланцев – способность раскалываться на тонкие пластины. Цвета – темно-серый, черный, серо-коричневый, красно-коричневый. Сланец довольно долговечный материал, поддается обработке (расслаивается на тонкие пластины), некоторые виды можно полировать. Однако часто сланцы используют вообще без всякой обработки, потому что их поверхность на месте раскола сама по себе достаточно декоративна. Сланец используют в наружной и внутренней облицовке стен и полов. Например, полы Исаакиевского собора в Санкт_Петербурге частично сделаны из сланца. В Европе им часто покрывают крыши домов. Полудрагоценные камни  К их числу относятся в основном горные породы, которые еще называют декоративно-поделочными камнями: яшма, оникс, опал, малахит, лазурит. Эти камни встречаются гораздо реже и ценятся гораздо больше прочих. Облицовывать ими большие участки поверхности довольно дорого, поэтому чаще всего полудрагоценными камнями отделывают небольшие элементы интерьера: детали колонн, подоконников, ванных комнат, а также мозаичные фрагменты. Одним из самых распространенных декоративно-поделочных камней считается оникс (в переводе с греческого «ноготь»). Ониксы имеют слоистое или радикально-лучистое строение. Бывают белого, светло-желтого, желтого, коричневого, темно-бурого, бледно-зеленого цветов. В рисунке чередуются полосы разных оттенков. Большинство мраморных ониксов просвечиваются, иногда на глубину до 30 – 40 мм. Оникс хорошо обрабатывается режущими и шлифовальными инструментами и поддается полировке высокого качества. Яркий пример использования оникса в отделке интерьера – витражи на станции метро «Динамо» в Москве. Физико-механические свойства горных пород, определяющие условия проведения горноразведочных выработок: их влияние на технологию проведения горных выработок. Крепость — величина, характеризующая сопротивляемость полезного ископаемого (породы), разрушаемому действию при добывании. Под крепостью полезных ископаемых понимают совокупность таких физико-механических свойств, как твердость, вязкость, трещиноватость, слоистость. Крепость существенно влияет на выбор системы разработки, применяемых машин и механизмов и себестоимость добычи. Твердость ТВЁРДОСТЬ горных пород свойство горных пород оказывать сопротивление внедрению в них других тел при сосредоточенном контактном силовом воздействии. Наиболее просто твердость минералов определяется по шкале Мооса, по которой в качестве эталонов твердости выбрано десять минералов, отличащихся тем, что каждый последующий минерал царапает предыдущий, более мягкий. По шкале Мооса алмаз имеет наивысшую склеротическую твердость, равную 10. Сопоставление данной шкалы со шкалой твердости вдавливания по Кнупу показывает, что шкала Мооса не является линейной. Шкала Кнупа обеспечивает лучшее сопоставление твердости. По этой шкале твердость алмаза лежит в пределах 8000-8500 ед. Кнупа, что в четыре раза выше корунда (1700-2000 ед.) и в три раза выше твердого сплава (см табл). Сравнительная твердость различных минералов и материалов (по шкалам Мооса и Кнупа) Название минералов (материалов) Твердость горных пород по шкале Мооса по шкале Кнупа Тальк 1 12 Гипс 2 32 Известковый шпат 3 135 Плавиковый шпат 4 160 Апатит 5 400 Стекло 6 500 Кварц 7 1250 Топаз 8 1550 Корунд 9 1900 Карбид вольфрама 9,5 2800 Алмаз 10 8300 Для измерения твердости горной породы используются также другие методы, в частности вдавливание специального пуансона (метод, разработанный Л. А. Шрейнером). Твердость породы по этому методу определяется по нагрузке на пуансон в момент ее разрушения. Количественно твердость по штампу определяется отношением разрушающей силы к площади штампа. Во время нагружения штампа (пуансона) при определении твердости породы самопишущий прибор регистрирует нагрузку и вычерчивает диаграмму деформации. По диаграмме определяют твердость рш, условный предел текучести δт, коэффициент пластичности Кпл и удельную контактную работу разрушения As. Данные о механических свойствах некоторых горных пород, определенных по методу Л. А. Шрейнера, приведены в табл. 5.5. Сопротивление породы разрушению зависит от характера нагрузки на буровой инструмент, внедряющийся в нее. При динамической (ударной) нагрузке сопротивление породы внедрению резца много ниже, чем при статическом давлении. Механические свойства некоторых горных пород (данные Л. А. Шрейнера и др.) Горная порода Твердость рш· 107Па Условный предел текучести, δт · 107Па , Коэффициент пластичности, Кпл Модуль упругости первого рода (модуль Юнга) , Е · 1010Па Удельная контактная работа раз­рушения As · 105Дж/м2 Гипс 25-40 15-35 1,8-3,7 0,6-1,4 0,2-0,5 Аргиллит и глинистые сланцы 20-75 15-40 1.3-3,3 0,5-0,9 0,3-0,4 Алевролит с карбонатным базальным цементом 70-90 40-50 2,2-3,3 0,4-1,2 0,8-1,3 Мрамор 95-130 65-70 2,2-3,0 3,5 1,3 Ангидрит 105-140 40-95 2,1-4,3 1,8-5,4 0,5-1,2 Известняк плотный 110-200 50-110 1,7-2,8 2-5 0,7-2,8 Песчаник среднезернистый с карбонатным цементом 170-300 140-210 1,7-2,8 1,8-2,5 2,2-2,8 Доломит плотный 250-320 150-220 2,5-4,5 5-8 1,7-3,4 Гранит (уральский) 300-370 220-300 1,4-1,9 4,1-5 2 Базальт 390 140 4,2 3,3 16,9 Диорит кварцевый (Урал) . 410 340 1,4 4,5 2,5 Сиенит (Урал) 570 480 2,2 8,8 14,6 Диабаз (Кольский п-ов) 630 500 1,5 10 5,1 Кварцит (Караганда) 580-630 - 1,0 6,9-7,3 4-6 Роговик эгириновый (Кривой Рог) 800 580 2,5 10 8,5 Джеспилит (КМА) 810 - 1,0 10 3,6 Вязкость Способность горной породы необратимо поглощать энергию в процессе их деформирования. Вязкость обусловлена пластической деформацией и неупругостью горной породы. При пластической деформации вязкость количественно определяется как отношение величины касательных напряжений, возникающих в сдвигаемом слое, к скорости пластического течения и изменяется от 1013 до 1020 Па • с. Величина вязкости, связанная с неупругостью (упругое последействие, термоупругий эффект, упругий гистерезис) горной породы, пропорциональна коэффициенту механических потерь (декременту затухания), значения которого колеблются от 10-1 до 10-3. При разрушении вязкость оценивается как работа деформирования горной породы, отнесённая к единице площади образца. Определяется по результатам ударных испытаний образцов на копре (ударная вязкость). Может быть рассчитана как произведение коэффициента пластичности на предел прочности горной породы. На практике определяют коэффициент относительной вязкости (специальными отрывниками, заделываемыми в испытуемый массив) как отношение усилия, требуемого для отделения некоторой части горной породы от массива, к величине усилия, необходимого для отделения от массива известняка, принятого за эталон. Величина коэффициента изменяется от 0,5 до 3 (например, для мрамора 0,7; песчаника 1,2; гранита 1,3; кварцита 1,9; базальта 2,2). С увеличением вязкости возрастает поглощение упругих волн, уменьшаются ползучесть и пучение пород, возрастает энергоёмкость процессов дробления и измельчения пород при переработке полезных ископаемых и взрывных работах Вязкость горной породы — свойство оказывать сопротивление силам, стремящимся отделить некоторую ее часть от массива или переместить одну ее часть по отношению к другой. Она характеризует величину сил сцепления между ее частицами. Практическое значение вязкости горной породы состоит в том, что по мере ее увеличения значительно ухудшаются условия взрывной отбойки породы от массива в процессе проведения горных выработок; буримость их при этом уменьшается, а расход взрывчатых веществ увеличивается. С другой стороны, более вязкие породы устойчивее, что по условиям безопасности производства горных работ и поддержания горных выработок является благоприятным фактором, позволяющим не применять временную крепь на больших площадях обнажения пород, а также использовать облегченные конструкции шахтной крепи, в том числе и штанговой. Некоторые горные породы характеризуются небольшой твердостью и одновременно высокой степенью вязкости. Бурятся такие породы легко, а взрываемость у них плохая. При проведении горных выработок все эти особенности вязких горных пород необходимо учитывать, в частности более внимательно решать вопросы нормирования буровзрывных работ. Наиболее трудно поддаются разрушению породы, имеющие высокую прочность и большую зону пластической деформаций. Такие породы являются вязкими. Технологический показатель вязкости горных пород при разрушении пропорционален сопротивлению породы силам, стремящимся разъединить ее частицы. Он определяется пластическими свойствами породы, отношением пределов прочности при растяжении и сжатии, а также значением предела прочности породы при сдвиге. Общепризнанного метода определения вязкости не существует. Так как вязкость прямо пропорциональна произведению пластичности породы на ее прочность, эту величину можно принять в качестве физического аналога вязкости В пород. Вязкость горных пород при разрушении не равноценна вязкости деформирования — коэффициенту внутреннего трения е, который в соответствии с законом Ньютона является коэффициентом пропорциональности между приложенными касательными напряжениями t и скоростью деформирования de/dt. Упругость УПРУГОСТЬ горных пород — свойство горных пород восстанавливать исходную форму и размеры после снятия механической нагрузки. Полное восстановление возможно только в случае, если не превышен предел упругой деформации. Им называется минимальное напряжение, при котором начинаются необратимые пластические деформации. Упругость оценивается параметрами упругости — коэффициентом пропорциональности между напряжениями и соответствующими им упругими деформациями. Для случая изотропных горных пород связь между напряжениями и деформациями выражается системой уравнений, куда входят три параметра упругости: модуль Юнга (Е), модуль сдвига (G) и коэффициент Пуассона (n), связанные между собой уравнением G = Е/2(1-2n). Абразивность АБРАЗИВНОСТЬ горных пород— способность горных пород изнашивать контактирующие с ними твёрдые тела (детали горных машин, инструменты и т.п.). Обусловлена в основном прочностью, размерами и формой минеральных зёрен, слагающих породу. Абразивность оценивают по степени износа штифтов, стержней, металлических колец, которые трутся о поверхность пород при сверлении или резании, а также по степени истирания породабразивными материалами. Показатель абразивности (по методике Л. И. Барона и А. B. Кузнецова) определяют как суммарную потерю массы (в мг) вращающегося (с частотой 400 об/мин) стандартного стержня из незакалённой стали за счёт истирания его торца, прижатого к породе, при осевой нагрузке 150 H за время испытания (10 мин). Например, показатель абразивности составляет для мрамора 400-500 мг, известняка — 800-900 мг, гранита — 1000-2000 мг, кварцита — 2100-2500 мг. Для малоабразивных пород (до 5 мг), например угля, показатель абразивности определяют путём истирания стандартного эталона (при постоянном давлении на контакте) о раздробленную навеску породы. Горные породы в зависимости от их абразивности разделены на 8 классов (по Л. И. Барону и А. B. Кузнецову). Наиболее абразивны кору ндсодержащие породы, порфирит, диорит, гранит. Абразивность влияет на эффективность бурения, резания, скалывания, черпания горных пород. Класс абразнвности Класс пород Показатель абразивности а, мг Характерные породы 1 Весьма малоабрзивные до 5 известняки, мраморы, мягкие сульфиды без кварца (галенит, сфалерит, пирротин), апатит, каменная соль II Малоабрззнвные | 6-10 Сульфидные руды, барито-сульфидные руды; аргиллиты, мягкие спанцы углистые, глинистые, хлоритовые, хлорито –аспидные. III Ниже средней абразивности 11-16 Джеспилиты, роговики (рудные и нерудные), кварцево-сульфидные руды, магматические тонкозернистые породы, песчаники кварцевые и аркозовые тонкозернистые, руды железные, известняки окремненные. IV Среднеабразивные 19-30 Песчаники кварцевые и аркозовые, мелкозернистые диабазы, крупнозернистый пирит, эрсенопирит, жильный кварц, кварцево-сульфидные руды, мелкозернистые джеспероиды V абразивность 31-45 крупнозернистые, плагиограниты. нефелиновые сиениты, мелкозернистые граниты, мелкозернистые диориты. порфирита, грей-зены, габбро, гнейсы, скарны (рудные и нерудные) VI Повышенной абразивности 46-65 Средне- и крупнозернистые граниты, диориты, гранодиориты. порФириты. нефелиновые сиениты, сиениты, кератофиры, пироксениты, монцониты. амфиболиты. VII Высокоабразивные 68-90 Порфириты, дориты, граниты, гранитоидные нефелиновые сиениты VIII В высшей степени абразивные Свыше 90 Корундосодержащие породы Устойчивость УСТОЙЧИВОСТЬ горных пород— способность горного объекта функционировать с заданными параметрами в определённых условиях в течение требуемого отрезка времени. Понятие устойчивости в горном деле в большинстве случаев рассматривается применительно к горным породам, а исходя из этого — к массивам горных пород искусственного происхождения (закладочным), к устойчивости обнажений кровли, устойчивости горных сооружений (выработок). Под этим подразумевается способность горных пород обеспечивать их функционирование с эксплуатационными характеристиками в течение заданного срока службы. Устойчивость зависит от прочностных свойств горных пород и действующих на соответствующие объекты нагрузок. Наиболее опасной зоной, где интенсивно разрушаются горные породы, является контур скважины и прилегающая к скважине часть породы. Концентрация напряжений в этой области достигает максимума, за счет чего происходят нарушения устойчивости стенок скважины в виде следующих осложнений: • обрушения • обвалы • осыпания • выпучивания При разработке технологии бурения, в первую очередь, при проектировании конструкции скважины и разработке мер профилактики и устранения возможных осложнений и аварий в скважине, существенное значение имеет оценка устойчивости пород в стенках скважины. Свойства горных пород в массиве из-за его сложности и трещиноватости в разных направлениях неодинаковы, они изменяются во времени (реологические изменения) и в зависимости от характера прикладываемых нагрузок. Действующие на массив нагрузки обусловлены природными факторами (собственный вес пород, давление напорных вод, набухание горных пород и т.п.) и технологическими воздействиями (пригрузка оборудованием, ведение взрывных и других работ). Для такой оценки рекомендуется классификация горных пород по степени устойчивости их в стенках скважины в процессе бурения, исходя из принципов защиты стенок от горного давления, механического разрушения очистным агентом и вибрирующим буровым снарядом и от физико-химического изменения горных пород (табл. 6.4). Таблица. Классификация горных пород по степени устойчивости в стенках скважины (ВИТР) Группа пород по устойчивости Степень устойчивости Характеристика пород по устойчивости Горно-геологическая характеристика пород I Устойчивые Практически не разрушаемые гидродинамическими нагрузками и вибрациями бурового снаряда Монолитные и слаботрещиноватые, IX-XII категории по буримости II Среднеустойчивые Разрушаемые гидродинамически­ми нагрузками и вибрациями снаряда Различной степени трещиноватости, перемежающиеся по твердости, IV—VIII III Малоустойчивые Легко разрушаемые и растворимые (минеральные соли) и многолетне-мерзлые породы Малой твердости, хрупкие и высокопластичные, III-V IV Неустойчивые Легко разрушаемые и размываемые Рыхлые, сыпучие, плывучие, I-II Руководствуясь этой классификацией, можно в первом приближении оценить возможные осложнения в процессе бурения скважин и число зон осложнений, определить рациональную методику и технологию по борьбе с осложнениями, а также выбрать эффективные технические средства для проведения профилактических или изоляционных работ в породах различной степени устойчивости. Таким образом, в результате типизации геологических условий может быть выделено 5 групп пород по твердости, каждая из которых, в свою очередь, разделяется на 5 групп по трещиноватости и 4 группы по сложности. Трещиноватость горных пород Трещиноватость, - свойство горных пород, нарушенность монолитности породы трещинами; этим термином также называется совокупность трещин в породном массиве. Разновидности трещин Трещины представляют собой плоские разрывы сплошной среды в случае, если их величина на порядок и больше превосходит межатомные расстояния в кристаллической решетке. Выделяют трещины трех порядков: трещины первого порядка - внутрикристаллические, возникают в процессе роста и развития кристалла; трещины второго порядка - между кристаллами и в соединяющем отдельные кристаллы межкристаллическом цементе; трещины третьего порядка - образуются в результате тектонических процессов и при ведении горных работ. Поэтому при взрывной отбойке учитывают естественную трещиноватость как начальную, и возникающую при работе техники как дополнительную. Трещины могут быть заполнены трещиннными водами (грунтовыми безнапорными или напорными, что может быть опасно для горняков), газами (к примеру, метаном или углекислым газом, что также потенциально опасно), разными минеральными и органическими веществами. Характеристики трещиноватости От степени трещиноватости зависит правильный выбор системы разработки и параметров буровзрывных работ. В старину трещиноватость оценивали акустическим методом, ударяя по породе молотком и выслушивая полученный звук. С появлением ультразвуковой техники и математических методов обработки результатов ультразвуковых исследований стали применять акустический показатель трещиноватости А1 - геофизическую характеристику, численно равную: А1=(Ср/Сро)2, где: Ср - скорость распространения продольных упругих волн в массиве, определенная сейсмоакустическим методом; Сро - скорость распространения продольных упругих волн в образцах (отдельностях) из массива, определенная ультразвуковым методом. Характеристики трещиноватости скальных массивов Категория трещиноватости[1*] Степень трещиноватости (блочности) массивов Среднее расстояние между естественными трещинами всех систем, м Модуль трещиноватости, м-1 Максимальный размер отдельности (блока) в массиве, м Акустический показатель трещиноватости А1 Удельное водопоглощение, л/мин I Чрезвычайно трещиноватые (мелкоблочные) До 0.1 Более 10 0.6 Менее 0.1 Более 10 II Сильнотрещиноватые (среднеблочные) 0.1 - 0.5 2 - 10 0.6 - 1.2 0.1 - 0.25 1 - 10 III Среднетрещиноватые (крупноблочные) 0.5 - 1.0 1 - 2 1.2 - 1.9 0.25 - 0.4 0.1 - 1 IV Малотрещиноватые (весьма крупноблочные) 1.0 - 1.5 1 - 0.65 1.9 - 3.5 0.4 - 0.6 0.01 - 0.1 V Практически монолитные (исключительно крупноблочные) Свыше 1.5 Менее 0.65 Более 3.5 0.6 - 1.0 До 0.01 1* Категория по классификации Междуведомственной комиссии по взрывному делу. Наряду с прочностью трещиноватость - главный критерий устойчивости породы, от которой зависит способ обделки и крепления тоннелей и горных выработок. При дроблении породы взрывом от трещиноватости зависит количество энергии, которую необходимо сообщить породе для ее разделения на блоки нужной величины, а следовательно, количество потребного взрывчатого вещества. Водообильность пород Водообильность пород — количество воды, отдаваемое породой. В отличие от водоотдачи пород определяется еще дополнительным количеством воды, поступающим за счет ресурсов подземных вод данного водоносного горизонта или комлекса. По степени водообильности породы делятся на: сильноводообильные с дебитом скважин более 10 л/сек, водообильные—1—10 л/сек, слабоводообильные — 0,1—1 л/сек, сильновлагоемкие—0,01—0,1 л/сек и водоупорные. Водоотвод — сооружение, предназначенное для транспортирования воды от горных выработок за пределы зоны влияния шахтного водоотлива. Устраивается в виде искусственных русел: открытых (лотки, каналы) или закрытых (трубы, тоннели) Гидрогеология изучает происхождение, состав, движение и распределение подземных вод в горных породах и взаимоотношение пород с этими водами, а также условия использования подземных вод, влияние их на возникновение природных процессов, а также на условия строительства и эксплуатации искусственных сооружений. Горные породы по своему происхождению не являются абсолютно монолитными, они имеют поры, трещины самых различных форм и размеров, а также пустоты. Пористость, трещиноватость и тектоническая нарушенность пород с учетом их литологических особенностей и динамики подземных вод определяют гидрогеологические свойства. Трещинные воды - это подземные воды, залегающие в трещиноватых магматических, метаморфических и осадочных породах. В горных породах различают (по происхождению) трещины трех видов: а) тектонические, образовавшиеся при формировании геологических структур; б) выветривания, возникающие при выветривании и размывании горных пород; в) литологические, связанные с формированием пород. Водообильность трещиноватых горных пород в значительной степени зависит от типа развитых в них трещин и характера взаимосвязи последних между собой. В зависимости от вида и размера пор, трещин и пустот в горных породах различают: а) некапиллярную пористость (скважность, обусловленную крупными порами )1 мм, ноздреватостью, кавернозностью, крупной трещиноватостью и закарстованностью); б) капиллярную пористость, когда в горных породах встречаются поры размером менее 1 мм, а трещины шириной менее 0,25 мм. Водовмещающие породы представляют собой пористые среды. Основные свойства пористой среды, определяющие условия движения в ней воды, - пористость и проницаемость. Пористость - это общий объем всех пустот в горной породе (табл. 13). Величина пористости горных пород характеризуется коэффициентом пористости n, который определяется отношением объема пор к объему всей породы в сухом состоянии и выражается в долях единицы или в процентах отношением объема пор к объему породы). Таблица 13 Пористость некоторых пород Порода Пористость, % минимальная максимальная Граниты и гнейсы 0,02 0,6 Каррарский мрамор 0,20 0,40 Глинистые сланцы 0,50 7,50 Кремнистые сланцы 0,85 0,90 Известняки 0,50 13,50 Доломиты 1,50 22,00 Туф известковый 20,2 32,2 Песчаники 3,50 28,5 Пески 35,0 42,0 Глины 25,0 55,0 Лёсс 40,0 55,0 Пористость водовмещающей горной породы - это часть ее объема, заполненная водой и выраженная как отношение объема пустот к общему объему породы. Характеристикой емкостных свойств водовмещающей среды является не полная пористость, а коэффициент гравитационной водоотдачи породы , т.е. количество воды, которое может высвободиться из элементарного объема пласта при его осушении. Под коэффициентом водоотдачи принято понимать разность между общей пористостью и максимальной молекулярной влагоемкостью с учетом объемных масс скелета и воды Обычно принимают величину водоотдачи равной активной пористости . Активная пористость - это совокупность пор и других пустот, по которым подземная вода может свободно передвигаться в горных породах, не испытывая заметного притяжения и трения со стороны стенок, так как эти стенки покрыты гигроскопической и пленочной водой. Активная пористость - это также объем пор, взаимосоединенных друг с другом. Таблица Средние значения коэффициента водоотдачи Порода Коэффициент водоотдачи, доли единицы Тонкозернистый песок и супесь 0,1-0,15 Песок: мелкозернистый 0,15-0,2 среднезернистый 0,2-0,25 крупнозернистый и гравелистый 0,25-0,35 Известняки трещиноватые 0,008-0,1 Проницаемость - это свойство пористого материала пропускать через себя воду под действием приложенного градиента давления. Согласно определению Р. Коллинза, проницаемость есть проводимость по отношению к воде. К водопроницаемым породам относятся крупнозернистые пески, гравий, галечник, щебень, валуны, трещиноватые скальные породы, т.е. породы, в которых имеется достаточное количество крупных пустот для проникновения и движения воды. Водоносным горизонтом называют пласт водопроницаемой породы, наполненный (насыщенный) водой и способный отдавать ее. Водоносные горизонты всегда залегают на водоупорных или весьма слабопроницаемых для воды горных породах. Водоупорными горными породами являются плотные тяжелые глины, плотные суглинки, а также различные изверженные и метаморфические породы, если они не трещиноваты. Подошвой водоносного горизонта называют горные породы, подстилающие водоносный горизонт. Движение подземных вод в водоносном горизонте, или так называемая фильтрация, происходит по порам и мелким трещинам горных пород. Отдельные струи движутся равномерно, без разрыва сплошного потока, с небольшими скоростями, параллельно одна другой. Такое движение подземной воды преобладает в природных условиях и называется ламинарным. Закон ламинарного движения формулируется следующим образом: расход воды, фильтрующейся через определенную площадь (поперечное сечение) горной породы, прямо пропорционален этой площади, напору и обратно пропорционален длине пути фильтрации на данном участке потока. Он зависит от некоторой постоянной величины - коэффициента фильтрации, свойственного данной породе. Коэффициент фильтрации представляет собой расход воды через единицу площади поперечного сечения пласта при напорном градиенте, равном единице, и численно равен скорости фильтрации при единичном градиенте. Коэффициент фильтрации измеряется в м/сут. Поскольку при решении задач водоснабжения, как правило, рассматривается плановая фильтрация, обычно коэффициент фильтрации заменяется коэффициентом водопроводимости [14] ( - коэффициент фильтрации). Коэффициент водопроводимости представляет собой расход воды через единицу ширины подземного потока мощностью при единичном напорном градиенте и измеряется в м/сут. Помимо коэффициентов фильтрации (водопроводимости) и водоотдачи в гидрогеологических расчетах широко используется комплексный параметр , в общем случае характеризующий скорость развития депрессии: в безнапорном потоке - коэффициент уровнепроводимости ; в напорном потоке - коэффициент пьезопроводности (в м/сут) . На практике в качестве основных гидрогеологических параметров определяют коэффициент фильтрации (водопроводимости) и пьезопроводности (уровнепроводимости). Расход подземных вод находят по следующей формуле: , где - расход воды, м/сут; - площадь поперечного сечения потока (водоносного пласта); - напорный градиент или падение напора на единицу пути фильтрации, рассчитываемый по выражению (и - пьезометрические напоры в двух сечениях потока; - расстояние между этими сечениями, м). Средние значения коэффициента фильтрации, по Н.А. Плотникову, приведены в табл. 15. Таблица 15 Значения коэффициента фильтрации Характеристика пород Коэффициент фильтрации м/сут см/с Очень хорошо проницаемые галечники с крупным песком, сильно закарстованные известняками и сильно трещиноватые породы 100-1000 и более 1,16-1,12 Хорошо проницаемые галечники и гравий, частично с мелким песком, крупный песок, чистый среднезернистый песок, закарстованные, трещиноватые и другие породы 100-10 0,12-0,01 Проницаемые галечники и гравий, засоренные мелким песком и частично глиной, среднезернистые пески и мелкозернистые, слабо закарстованные малотрещиноватые и другие породы 10-1 0,12-0,0012 Слабопроницаемые, тонкозернистые пески, супеси, слаботрещиноватые породы 1-0,1 1,2·10-1,2·10 Весьма слабопроницаемые суглинки 0,1-0,001 1,2·10-1,2·10 Почти непроницаемые глины, плотные мергели и другие массивные породы с ничтожной водопроницаемостью 0,001 1,2·10 Коэффициент фильтрации в полевых условиях находят при помощи откачек, а в лаборатории - по результатам анализа гранулометрического состава водоносной породы. Отклонения от закона ламинарного движения происходят при скорости движения подземной воды свыше 1000 м/сут, что наблюдается только в карстовых районах и породах, имеющих большие трещины. Движение подземной воды переходит в вихреобразное, или турбулентное, при котором струи воды уже не движутся параллельно. Буримость. Буримость — ни что иное, как совокупность множества переменных, часть из которых определяется техническими и технологическими факторами, а другая часть — факторами природными. Буримость. Этот показатель широко используется также при планировании и нормировании работ разведочного бурения и при других практических расчетах. Под буримостью понимают способность горной породы разрушаться под действием различных породоразрушающих инструментов. Буримость определяется величиной углубки в данной породе за единицу механического бурения и измеряется в м/ч, см/мин или мм/мин. Буримость зависит от физико-механических свойств грунта, от формы и размеров применяемого породоразрушающего бурового инструмента, а также от материала, из которого он изготовлен. Немаловажное значение имеет и режим бурения (осевая нагрузка на породоразрушающий буровой инструмент, частота вращения снаряда, количество промывочной жидкости). В связи с этим буримость принято определять отдельно для каждого вида породоразрушающего бурового инструмента. Буримость зависит не только от физико-механических свойств пород, но и от состояния технологии бурения, организации работ, квалификации работников и др. По мере совершенствования породоразрушающих инструментов, режимов бурения и буровой техники этот показатель растет. Классификация горных пород по буримости, в которой все породы разделены на 12 категорий, применяемая при вращательном бурении геологоразведочных скважин не учитывает механические свойства пород и поэтому не позволяет вести инженерные расчеты разрушения горных пород при бурении и разработке оптимальных режимов бурения. В литературе приводятся классификации горных пород по буримости для шнекового, ударно-канатного и ударно-вибрационного бурения. В них также отсутствуют конкретные объективные признаки для отнесения породы к той или иной категории. Количественный показатель буримости Показатели, полученные при определённых параметрах, ложатся в основу классификаций и используются впоследствии для нормирования процесса бурения. В качестве количественного показателя чаще всего применяется Vмех — механическая скорость проходки. Преимущество такого выбора в том, что данное значение может быть точно установлено. Этот показатель учитывает наибольшее число всевозможных факторов, возникающих в процессе бурения. Недостатком выбора Vмех в качестве показателя буримости является необходимость время от времени пересчитывать шкалы, основанные на данном значении, так как технологии не стоят на месте, а буровое оборудование постоянно совершенствуется. Как уже было замечено, буримость представляет собой комплексную характеристику, зависящую от целого ряда факторов. Практически все физико-механические свойства в той или иной степени влияют на данный показатель. Кроме того, значительное влияние оказывает также и структура, состав породы, не говоря уже о характере соединения её зёрен между собой. Для удобства все горные породы разделены на группы с учётом их буримости и петрографических характеристик. Такое разделение именуется классификацией горных пород по буримости. Классификация горных пород по буримости Категории Породы I Рыхлые: пески, лесс, супеси без щебня и гальки; растительный слой без корней; торф; иловатые грунты; слабый мел II Охристая железная руда; растительный слой с корнями или вкраплениями мелкого (до 3 см) щебня и гальки; продукты выветривания метаморфизованных горных пород; суглинки и супеси с примесью мелкого щебня и гальки (до 20%); галит (каменная соль); сажи; диатомит; мел; плывун без напора; рыхлый мергель; лесс; плотный суглинок. III Супеси и суглинки с незначительной (порядка 20%) примесью мелкого (до 3 см) щебня или гальки; глинистые бокситы; плотный лесс; окисленная железная и марганцевая руда; напористый плывун; дресва; разрушенные тальковые сланцы всех разновидностей; бурый и каменный уголь; глины с прослойками мергелей и песчаников; тонкокристаллический гипс; магнезит; плотный мел; слабоцементированные известковым или глинистым цементом песчаники. IV Галечник; бокситы; мягкая и вязкая железная руда; торф, ил и мёрзлые водоносные пески; сильно выветренные мартитовые руды; плотный мергель; глинистые песчаники; плотные глинистые алевролиты; кимберлиты; выветренные перидотиты, дуниты; кристаллический апатит; неплотные скарны ам-фибол-слюдистого и хлоритового состава; глинистые сланцы; змеевики; каменный уголь; калийные соли; ангидрит; кристаллический гипс; пористые туфы и известняки. V Связанный песчано-глинистым материалом мёрзлый галечник; галечно-щебнистые грунты; мартитовые руды; дуниты; серпентинизированные вулканические туфы; змеевики; плотные аргиллитоподобные глины; алевролиты; плотный ил; крупнозернистый песок; дресва; слюдяные и глинисто-слюдяные сланцы; желваковые фосфориты; выветренные пористые опоки; антрацит; твёрдый каменный уголь; осадочные породы на пористом цементе. VI Плотные ангидриты с вкраплениями туфогенных материалов; сидериты; гематито-мартитовые руды; бурые ноздреватые железняки; осадочные породы на цементе известковистом; плотные и мёрзлые глины; сыпучий колчедан; эпидото-кальцитовые скарны; апатиты; крупнокристаллические пирокоениты; амфиболиты; подвергнувшиеся выветриванию перидотиты; дуниты; слабо окремнелые аргиллиты; порфириты; кератофиры; рассланцованные и хлоритизированные альбитофиры; опоки; плотные доломиты; глинистые сланцы; долмитизированные плотные известняки; алевролиты с вкраплениями кварца; полевошпатовые песчаники. VII Конгломераты изверженных пород с высоким содержанием гальки (до 50%); мелкий щебень (без валунов), галечник метаморфических и изверженных пород; окремненные аргиллиты; амфибол-магнетитовая руда; гематитовые и мартито-сидеритовые руды; сульфидные руды; хромиты; пористые бурые железняки; полевошпатовые окварцованные известняки; плотные доломиты; кварцевые песчаники; осадочные породы на цементе кремнистого типа; пироксениты (как рудные, так и обычные); габбро, диориты, сиениты и другие породы, образовавшиеся в результате извержений; креатофиры; альбофиты рассланцованные; кварцевые песчаники; крепкие плотные опоки; слабо окремненные сланцы; фосфоритовая плита; пористые кварцы (охристые; ноздреватые; трещиноватые). VIII Диаспоровые бокситы; плотный колчедан; плотные гидро-гематитовые плотные руды; магнетитовые руды; пористые бурые железняки; кварцево-баритовые и кварцево-карбонатные породы; эпидозиты; авгито-эпидотовые и авгито-гранатовые скарны (кристаллические средней зернистости); пегматиты, гранито-гнейсы и кварцево-турмалиновые породы, затронутые выветриванием; габбро; подвергнувшиеся выветриванию гранито-гнейсы; перидотиты; не затронутые выветриванием диориты; андезиты; диабазы; выветренные базальты; кератофиры и среднезернистые альбитофиры; гнейсы; слюдяные, кварцево-хлорито-эпидотовые и кварцево-серицитовые окремненные сланцы; плотные пластовые фосфориты; доломиты и окремненные известняки; окварцованные доломиты; породы на известковистом цементе, образовавшиеся в результате извержений; кремнистые аргиллиты. IX Плотные бариты; кварцы, содержащие большое количество колчедана; плотные бурые железняки; не затронутые выветриванием кварцево-турмалиновые породы; окварцованные колчедан и амфиболит; гранатовые крупнозернистые скарны; березиты; пегматиты; габбро-нориты; сиениты; средне- и крупнозернистые граниты, гранодиориты и гранито-гнейсы; подвергнувшиеся выветриванию микрограниты и липариты; окремненные туфы; тонкокристаллические диабазы; окварцованные порфиры; трахиты; кератофиры и альбитофиры; серицитизированные и амфибол-магнетитовые роговики; плотные мартито-магнетитовые кварцы; тонкополоcчатые и гематитовые кварцы; кремнистые сланцы; окремненные пластовые фосфориты; кремнистые доломиты и песчаники; карстовые и кремнистые известняки; изверженные породы на цементе кремнистого типа; не затронутые выветриванием базальты. X Сильно окварцованные порфириты; жильный кварц; бурые окремненные железняки; мартитовая и магнетитовая руда; гранатовые мелкозернистые скарны; кварцевые плотные пегматиты; микрограниты; гранодиориты и гранито-гнейсы; мелкозернистые граниты; липариты; кератофиры и кварцевые альбитофиры; роговики с небольшими вкраплениями сульфидов; кварциты неравномерно зернистые; фосфатно-кремнистые породы, затронутые выветриванием; джеспилиты; кварцевые сливные песчаники; валунно-галечные отложения метаморфизованных пород, возникших в результате извержений. XI Гематито-магнетитовые и гематито-мартитовые джеспилиты; корундовые породы; плотный кварц; железистые твёрдые роговики; кварциты; кремнистые яшмовидные сланцы; не затронутые выветриванием джеспилиты; тонкозернистые альбитофиры. XII Монолитно-сливные джеспилиты, совершенно не затронутые выветриванием; корундовые и эгириновые породы; кварциты; роговики; яшмы; кремень. Чтобы буровое оборудование эксплуатировалось правильно и не подвергалось дополнительному износу, категория буримости горной породы должна быть определена безошибочно. Взрываемость. ВЗРЫВАЕМОСТЬ горных пород — сопротивляемость горных пород разрушению под действием взрыва заряда взрывчатого вещества. Характеризуется количеством эталонного взрывчатого вещества кг/м3 (удельным расходом эталонного взрывчатого вещества), или количеством энергии взрывчатого вещества Дж/м3 (удельной затратой энергии взрывчатого вещества), необходимых для образования прямоугольной воронки взрыва при глубине заложения заряда в 1 м в шпуре диаметром 40 мм, расположенном под углом 45° к горизонтальной свободной поверхности. Другой способ оценки взрываемости — определение максимальной линии наименьшего сопротивления (л. н. с), при которой взрыв заряда эталонного взрывчатого вещества ещё производит отрыв породы от массива при неизменной длине заряда, параллельного боковой поверхности уступа. При этом способе взрываемость характеризуется безразмерной величиной, выражающей отношение максимальной л. н. с. к диаметру шпура и объёму взрывчатого вещества в шпуре. Взрываемость оценивают также удельным расходом эталонного взрывчатого вещества(аммонит №6ЖВ) в граммах, необходимым для дробления 1м3 монолитной породы в виде куба, имеющего шесть открытых поверхностей (свободно подвешенное состояние), до кусков с размером 0,25 м при размещении заряда в центре куба. Взрываемость при массовых взрывах на карьерах оценивают по расчётному удельному расходу взрывчатого вещества (кг/м3), при котором достигается требуемая кусковатость взорванной горной массы. Взрываемость зависит от прочности, вязкости, упругих и пластических свойств, плотности горной породы, а также от зернистости, слоистости, кливажности. В CCCP существует множество классификаций горных пород по взрываемости. Применительно к крупномасштабной отбойке скважинными зарядами взрывчатого вещества массивы горных пород классифицируют по степени взрываемость и на легко-, средне-, трудновзрываемые, весьма трудновзрываемые и исключительно трудновзрываемые. Оценка взрываемости используется для нормирования труда горнорабочих, проектирования взрывов, расчёта расхода взрывчатых веществ, технологии взрывания. В целом существующее положение дел в области оценки взрываемости горных пород на карьерах характеризуется наличием отдельных методических разработок, не связанных между собой в единую систему, охватывающую всю технологическую цепочку от натурных измерений до получения синтезированной аналитической и картографической информации, необходимой для проектирования буровзрывных работ. При этом преобладает ручная обработка информации. Объемным вес Объемным весом  называют отношение веса горной породы к его естественному объему, включая объем пор и трещин: , г/см3 или т/м3, где     G – вес горной массы, грамм или тонна; V – естественный объем, см3. В зависимости от объемного веса горных пород выбирается технология разработки полезных ископаемых, способ транспортировки. При подсчете запасов полезных ископаемых необходимо также знать объемный вес. Различают руды тяжелые – объемный вес больше 3,5 т/м3, средние – объемный вес 2,5 – 3,5 т/м3 и легкие – объемный вес меньше 2,5 т/м3. Объемный вес горных пород может быть определен следующими методами: 1.  по линейным размерам рассчитывают объем образцов правильной геометрической формы и взвешивают их; 2.  объем образцов неправильной формы находят с помощью объемометра, затем взвешивают; 3.  геофизический метод (по ослаблению гамма-лучей). Объемный вес зависит от состава и структуры горной породы. В отличие от определения удельного веса, объемный вес породы определить не сложно. Для этого необходимо знать вес образца горной породы и его объем. Вес образца определяется путем прямого взвешивания, а объем для образца правильной формы путем измерения его высоты и диаметра, если образец цилиндрической формы, или стороны, если образец имеет форму параллелепипеда. Если образец имеет неправильную форму его размеры определяют по объему вытесненной воды при гидростатическом взвешивании. Единица измерения в СГС — Г/см3, в СИ — Н/м3. Объемный вес зависит от минерального состава, структуры, текстуры, пористости, трещиноватости и влажности руды. В зависимости от этих факторов объемный вес руды на месторождениях колеблется в широких пределах. Является одним из важных показателей при подсчете запасов. Существуют лабораторный (по образцам) и полевой (по валовым пробам, объемом 5 — 10 м3) способы определения объемного веса. В первом случае объем образца, предварительно покрытого тонкой пленкой парафина, определяют в мерном сосуде с жидкостью. Во втором — непосредственным замером участка горной выработки (шурфа, канавы, штрека и др. ), откуда взята валовая проба на определение объемного веса Рекомендуется делать 10 — 20 определений Обьемного веса по каждому природному типу руды. Каждое измерение объемного веса должно сопровождаться определением влажности руды. Обьемный вес горной породы в Г/см3 численно равен их плотности. Объемный вес рекомендуется использовать для расчета баланса вещества при изучении метасоматического породо- и рудообразования. Разрыхляемость. РАЗРЫХЛЯЕМОСТЬ горных пород— способность горных пород к разукрупнению, разрыхлению и укладке (в т. ч. в ёмкости). Разрыхление осуществляется естественным или искусственным изменением состояния горных пород (обрушение, вспучивание, выветривание, взрыв, механическое разрушение и т.д.). Разрыхляемость горных пород существенно зависит от их свойств в естественном состоянии, а также от способов и средств осуществления. Для общей технологической оценки разрыхляемости может быть использован показатель трудности разрушения Пр, учитывающий тип горных пород, горно-геологические условия, трещиноватость горных пород и размер структурного породного блока. Большую роль при оценке и анализе разрыхляемости играют геометрические характеристики разрыхлённых горных пород, среди которых — коэффициент разрыхления, гранулометрический состав, форма и размер кусков (частиц), удельная поверхность (т.е. поверхность разрыхлённых горных пород на границе раздела фаз, приходящаяся на единицу объёма горных пород). Коэффициент разрыхления некоторых пород: песок 1,05-1,2, уголь бурый 1,02-1,4, скальные породы 1,4-2,5. Геометрические характеристики определяются кристаллофизическими особенностями минералов, структурно-текстурными особенностями массива, а также способом укладки разрыхлённых горных пород и используются для энергетической оценки разрыхляемости. Прочностные показатели разрыхляемости и геометрические характеристики разрыхлённых горных пород широко используются в горном деле для обоснования и расчётов отделения горных пород от массива, выемки, погрузки, транспортирования, складирования и переработки. Горные породы под действием приложенных нагрузок в одних случаях меняют только свою форму и объем без разрыва сплошности (пластическая деформация), в других разрушаются на отдельные элементы без заметной пластической деформации. В связи с этим выделяют такие важные свойства пород, как пластичность, хрупкость и упругость. Пластичностью горных пород называется свойство породы в известных условиях и пределах под воздействием сил претерпевать остаточную деформацию (пластические деформации после снятия нагрузки) без микроскопических нарушений сплошности. Пластичности обычно противопоставляется понятие хрупкости, т.е. способности горных пород при воздействии сил разрушаться без заметных пластических деформаций. Эти породы имеют слабую сопротивляемость разрушению при действии на них ударной нагрузки. В породах с повышенной хрупкостью усиливается эффект взрыва, но увеличиваются переборы по сечению, что приводит к лишним затратам при погрузке породы, креплении выработки и пр. Упругость – способность породы восстанавливать первоначальную форму и объем после снятия нагрузки. Проявление тех или иных свойств у горных пород в значительной мере связано с условиями нагружения. При мгновенном нагружении многие горные породы (песчаники, сланцы и др.) разрушаются на отдельные осколки, проявляя типичное свойство хрупкости. Вместе с тем эти же породы при постепенном нагружении ведут себя как упругие тела, т.е. пропорционально силам растут деформации. При длительном воздействии нагрузки в них проявляются остаточные деформации, т.е. породы проявляют пластичность. Таким образом, упругость, хрупкость и пластичность имеют относительный характер. Хрупкость и пластичность оцениваются коэффициентом пластичности (хрупкости), равным отношению общей работы деформации до разрушения Аобщ к работе упругой деформации Aупр, т.е. k = Aобщ/Аупр. Хрупкое разрушение в чистом виде оценивается коэффициентом k = 1. При пластических свойствах коэффициент k увеличивается. Упругость твердых горных пород характеризуется: модулем упругости E (модуль Юнга), коэффициентом Пуассона μ, модулем сдвига G. Кроме них, иногда пользуются такими показателями, как модуль деформации E0 и динамический модуль упругости Еg. Угол естественного откоса; Угол естественного откоса (иногда также угол внутреннего трения, угол ската) — угол, образованный свободной поверхностью рыхлой горной массы или иного сыпучего материала с горизонтальной плоскостью. Иногда может быть использован термин «угол внешнего трения». Частицы материала, находящиеся на свободной поверхности насыпи, испытывают состояние критического (предельного) равновесия. Угол естественного откоса связан с коэффициентом трения и зависит от шероховатости зерен, степени их увлажнения, гранулометрического состава и формы, а также от удельного веса материала. По углам естественного откоса определяются максимально допустимые углы откосов уступов и бортов карьеров, насыпей, отвалов и штабелей. угол естественного откоса из различных материалов Список из различных материалов и их угла естественного откоса[источник не указан 1402 дня]. Данные приблизительные. Материал (условия) Угол естественного откоса (градусы) Пепел 40° Асфальт (измельченный) 30-45° Кора (деревянные отходы) 45° Отруби 30-45° Мел 45° Глина (сухой кусок) 25-40° Глина (мокрой раскопки) 15° Семена клевера 28° Кокос (измельченный) 40° Кофе зерна (свежие) 35-45° Земля 30-45° Мука (пшеница) 45° Солод 30-45° Цемент 40-50° Гранит 35-40° Гравий (насыпной) 30-45° Гравий (натуральный с песком) 25-30° Песок (сухой) 34° Песок (мокрый) 15-30° Песок (влажный) 45° Опилки 45° Пшеница сухая 28° Кукуруза сухая 27° drillings.su Угол естественного откоса Угол естественного откоса — это наибольший угол, который может быть образован откосом свободно насыпанного грунта в состоянии равновесия с горизонтальной плоскостью. Угол естественного откоса зависит от гранулометрического состава и формы частиц. С уменьшением размера зерен угол естественного откоса становится положе. В воздушно-сухом состоянии угол естественного откоса песчаного грунта равен 30—40°, под водой — 24—33°. Для грунтов, не обладающих сцеплением (сыпучих), угол естественного откоса не превышает угла внутреннего трения             (9.25) Для определения угла естественного откоса песчаного грунта в воздушно-сухом состоянии используют прибор УВТ (рис. 9.11, 9.12), под водой — ВИА (рис. 9.13). Согласно рис. 9.12 при наклоне ящика песок осыпается и, разрыхляясь, образует откос с углом, который можно определить транспортиром или по формуле            (9.26) Понятие об угле естественного откоса относится только к сухим сыпучим грунтам, а для связных глинистых оно теряет всякий смысл, так как у последних он зависит от влажности, высоты откоса и величины пригрузки на откос и может изменяться от 0 до 90°. Рис. 9.11. Прибор УВТ-2: 1 — шкала; 2 — резервуар; 3 — мерительный столик; 4 — обойма; 5 — опора; 6 — образец песка Рис. 9.12. Определение угла естественного откоса вращением емкости (а) и медленным снятием пластинки (б): А — ось вращения емкости Рис. 9.13. Прибор ВИА: 1 — ящик ВИА; 2 — образец песка; 3 — емкость с водой; 4 — транспортир; 5 — ось вращения; 6— пьезометр; 7— штатив При разработке и усадке разрыхленного грунта выемки и насыпи образуют естественные откосы различной крутизны. Наибольшую крутизну плоских откосов земляных сооружений, траншей и котлованов, устраиваемых без креплений, следует принимать согласно табл. 9.2. При обеспечении естественной крутизны откосов обеспечивается устойчивость земляных насыпей и выемок. Таблица 9.2. Наибольшая крутизна откосов траншей и котлованов, град. Грунты Крутизна откосов при глубине выемки, м (отношение высоты к заложению) 1,5м 3,0м 5,0м Насыпные неуплотненные 56(1:0,67) 45(1:1) 38(1:1,25) Песчаные и гравийные влажные 63(1:0,5) 45(1:1) 45(1:1) Глинистые:          супесь 76(1:0,25) 56(1:0,67) 50(1:0,85)    суглинок 90(1:0) 63(1:0,5) 53 (1:0,75)    глина 90(1:0) 76(1:0,25) 63(1:0,5) Лессы и лессовидные сухие 90(1:0) 63(1:0,5) 63(1:0,6) Моренные:          песчаные, супесчаные 76(1:0,25) 60(1:0,57) 53 (1:0,75)    суглинистые 78(1:0,2) 63(1:0,5) 57(1:0,65) Откосы насыпей постоянных сооружений выполняют более пологими, чем откосы выемок. Классификация горных пород по происхождению. Принцип классификации горных пород, предложенный профессором М.М.Протодьяконовым. Шкала Протодьяконова Наиболее распространенная классификация горных пород по крепости, составленная профессором М.М. Протодьяконовым. Эта классификация основана на том, что сопротивляемость горной породы любым видам разрушения может быть выражена одним определенным числом – коэффициентом крепости породы (f), который показывает, во сколько раз крепость данной породы больше или меньше крепости породы, условно принятой за единицу. Классификация горных пород по крепости(шкала Протодьяконова) Категория породы Степень крепости Породы Коэффициент крепости, f I в высшей степени крепкие породы Наиболее крепкие, плотные и вязкие кварциты и базальты. Исключительные по крепости другие породы 20 II очень крепкие породы Очень крепкие гранитные породы. Кварцевый порфир, очень крепкий гранит, кремнистый сланец. Менее крепкие, нежели указанные выше кварциты. Самые крепкие песчаники и известняки 15 III крепкие породы Гранит (плотный) и гранитные породы. Очень крепкие песчаники и известняки. Кварцевые рудные жилы. Крепкий конгломерат. Очень крепкие железные руды 10 IIIa крепкие породы Известняки (крепкие). Некрепкий гранит. Крепкие песчаники. Крепкий мрамор. Доломит. Колчеданы 8 IV довольно крепкие породы Обыкновенный песчаник. Железные руды 6 IVa довольно крепкие породы Песчанистые сланцы. Сланцеватые песчаники 5 V довольно крепкие породы Крепкий глинистый сланец. Некрепкий песчаник и известняк, мягкий конгломерат 4 Va средние породы Разнообразные сланцы (некрепкие). Плотный мергель 3 VI довольно мягкие породы Мягкий сланец, очень мягкий известняк, мел, каменная соль, гипс. Мерзлый грунт, антрацит. Обыкновенный мергель. Разрушенный песчаник, сцементированная галька, каменистый грунт 2 VIa довольно мягкие породы Щебенистый грунт. Разрушенный сланец, слежавшаяся галька и щебень. Крепкий каменный уголь. Отвердевшая глина 1,5 VII мягкие породы Глина (плотная). Мягкий каменный уголь. Крепкий нанос, глинистый грунт 1 VIIa мягкие породы Легкая песчанистая глина, лесс, Гравий 0,8 VIII землистые породы Растительная земля. Торф. Легкий суглинок, сырой песок 0,6 IX сыпучие породы Песок, осыпи, мелкий гравий, насыпная земля, добытый уголь 0,5 X плывучие породы Плывуны, болотистый грунт, разжиженный лесс и другие разжиженные грунты 0,3 Классификация горных пород по СНиП 4.02-91_4 Скважины Полезные ископаемые и их месторождения; морфологические типы тел полезных ископаемых; вещественный состав полезных ископаемых; промышленные типы металлических, неметаллических и горючих полезных ископаемых; требование и оконтуривание полезных ископаемых; подсчет запасов полезных ископаемых; геолого-промышленная оценка месторождений; основы инженерной геологии; водно-физические, физико-механические свойства горных пород и техногенных отложений; инженерно-геологическая типизация массивов горных пород; геодинамическая обстановка производства горных работ; горно-геологические явления при разведке месторождений полезных ископаемых; гидрогеология; водоносные пласты и водоносные комплексы; законы фильтрации; приток воды к горным выработкам; схемы осушения карьерных полей;