Файл: Миндели, Э. О. Разрушение горных пород учебное пособие.pdf

рушения, а затем удельный расход энергии, по величине которого классифицируют горные породы.

Свойства горных пород при динамическом нагружении. Свойства горных пород, полученные при динамическом нагружении значитель­ но отличаются от свойств, полученных при статических нагрузках.

Внастоящее время четкого разграничения между динамическими

истатическими нагрузками провести нельзя. Более правильно все процессы, связанные с разрушением, считать динамическими, однако степень динамичности разных процессов будет различная. Поэтому граница между динамическими и статическими нагрузками является условной.

Кдинамическим свойствам горных пород относятся следующие: коэффициент крепости по Протодьяконову, определенный по методу толчения на приборе ПОК, акустические свойства пород (скорости распространения упругих волн, динамический модуль упругости, динамический коэффициент Пуассона, акустическая жесткость, ди­ намический модуль сдвига), динамическая удельная энергоемкость разрушения, твердость и пластичность, полученные на склероскопе Шора.

Метод определения динамической пластичности основан на изме­ рении эффекта контактного упрочнения пород при повторных микроударах в одну и ту же точку образца. Оценка пластичности породы производится при многократных повторных соударениях и отскоках на нескольких образцах в 5—10 выбранных точках. Число ударов в одну точку изменяется в зависимости от свойств породы.

Удары прекращаются тогда, когда твердость (высота отскока) достигает некоторой максимальной или минимальной (для данной породы) величины и при последующих ударах остается примерно постоянной.

Количественную оценку динамической пластичности определяют по формуле

Ку = Гпр~ Гнач100%,

J I нач

где К у — коэффициент уплотнения, характеризующий пластичность породы, %; Гпр — предельная (наибольшая) твердость породы в пре­ дельно уплотненном состоянии; Гнач — начальная твердость породы (при первом ударе).

Для весьма пластичных пород К у составляет 200—400%. Динамическую твердость определяют несколькими методами.

Наиболее распространенными из них являются: метод определения динамической твердости по упругому отскоку (на приборе типа Шора). На поверхность испытываемого образца горной породы сбрасывается с постоянной высоты боек с алмазным сферическим наконечником и по средней высоте отскока бойка при многократном сбрасывании в разные места образца судят о твердости породы. Известен также метод определения динамической твердости, основанный на измере­ нии энергии, требующейся для внедрения пуансона определенной

15

длины (ударник ДОРНИИ). В породу внедряют пуансон определен­ ной длины, при этом энергия одного удара остается постоянной. За показатель твердости принимается число ударов, необходимое для полного внедрения пуансона.

В последнее время разработай метод определения динамической твердости пород, основанный на динамическом внедрении штампа в слабо обработанную поверхность образца горной породы (после распиловки алмазным диском). Штамп цилиндрической или кони­ ческой формы с плоским основанием ударом внедряется в породу. При этом записывается график «сила — внедрение». За показатель динамической твердости принято усилие на штампе в момент первого выкола породы.

Динамический модуль упругости

£ д = СщР> ГС/СМ2;

где с„р — скорость продольной волны, см/с; р — плотность породы, г/см3.

Динамический коэффициент пуассона

_ 0,5—Л2

1 -Л 2 ’

где В — отношение скорости поперечной волны к скорости продоль­ ной волны.

Динамический модуль сдвига

G = chP i г с / с м 2,

где сп — скорость поперечной волны, см/с. Акустическая жесткость

Х = рспр, г/см2-с.

Динамическую удельную энергоемкость разрушения определяют на вертикальных копрах. Процесс определения состоит в сбрасыва­ нии груза на испытываемый образец с постоянно увеличивающейся высоты. Каждую последующую высоту падения груза увеличивают на 1 см.

Удельную энергию разрушения на единицу объема образца определяют по формуле

Ауа = ~ {n}yi)n » кгс/см3,

где V — объем образца, см3-; п — порядковый номер удара, при ко­ тором произошло разрушение образца; р — масса груза, кг.

Для примера в табл. 1 приведены некоторые результаты исследо­ вания упругих и прочностных свойств пород, полученные в ИГД

им. А. А. Скочинского статическими (на прессе) и динамическими методами.

Кроме рассмотренных выше свойств горных пород, в последнее время в горнотехнической литературе все чаще стали появляться

16

т—*—• <

характеризующие такие свойства горных пород, которыми опреде­ ляются тепловые процессы с участием этих пород. К теплофизиче­ ским параметрам горных пород относятся теплопроводность, тепло­ емкость, температуропроводность, коэффициенты объемного и линей­ ного расширения, теплоотдача, плавкость, испаряемость, морозо­

деле коэффициенты расширения имеют большое значение при раз­ рушении горных пород термическими и электрофизическими ме­ тодами.

П л а в к о с т ь горных пород характеризуется количеством тепла, необходимого для расплавления единицы объема.

М о р о з о с т о й к о с т ь характеризуется количеством цик­ лов оттаивания и замораживания, при которых образец горной по­ роды теряет свою прочность.

Электрические и магнитные свойства горных пород. К электри­ ческим свойствам горных пород относятся: диэлектрическая прони­ цаемость, угол диэлектрических потерь и электрическое сопротивле­ ние.

Относительная диэлектрическая проницаемость пород характери­ зуется уменьшением напряженности электрического поля в иссле­ дуемой породе по отношению к его напряженности в вакууме.

Угол диэлектрических потерь или, вернее, тангенс угла диэлек­ трических потерь характеризует ту часть электрической энергии, которая выделяется в горной породе в виде тепла при воздействии на нее переменного электрического поля.

Электрическое удельное сопротивление горных пород характери­ зуется способностью их проводить ток. К главнейшим магнитным свойствам горных пород относятся магнитная проницаемость и маг­ нитная восприимчивость.

Относительной магнитной проницаемостью горных пород назы­ вается отношение абсолютной магнитной проницаемости породы к абсолютной магнитной проницаемости в вакууме.

Влияние свойств горных пород на расчет и нормирование буро­ взрывных работ. В настоящее время для расчета и нормирования

18

буровзрывных работ, как правило, используется коэффициент кре­ пости пород по шкале проф. М. М. Протодьяконова (старшего). Однако породы, имеющие одинаковый коэффициент крепости, не­ редко, по-разному изнашивают буровой инструмент, т. е. имеют раз­ личные показатели абразивности, которые в значительной степени предопределяют дробимость и энергоемкость разрушения горных пород разными способами, включая и взрыв.

Кроме того, характеристики горных пород, полученные на образ­ цах при малых скоростях нагружения, могут сильно отличаться ■от этих характеристик в массиве, полученных при динамическом нагружении, например при взрыве. Поэтому расчеты буровзрывных работ, произведенные с применением только одного коэффициента крепости, могут дать ошибочные результаты.

Учитывая сказанное, при расчете и нормировании буровзрывных работ следует кроме коэффициента крепости дополнительно исполь­ зовать характеристики горных пород, которые характеризуют дан­ ный технологический процесс и имеют с ними тесную корреляцион­ ную связь.

Например, при расчете и нормировании буровых работ лучше использовать твердость, контактную прочность и абразивность. А при расчете и нормировании взрывных работ находит применение акустическая жесткость, хрупкость и т. д.

Поскольку буровзрывные работы предназначены в основном для разрушения массива горных пород, свойства этих пород, использу­ емые при расчетах, желательно определять также в массиве, а не в образцах, так как при этом будут учтены все особенности строения и состояния пород в массиве.

Необходимо, чтобы характер и скорость нагружения или деформи­ рования пород при бурении и взрывании соответствовали бы этим же условиям при определении свойств горных пород, т. е. если про­ цесс разрушения горных пород является динамическим, то и свой­ ства пород должны быть получены в условиях динамического нагру­ жения.

Наиболее широкое применение при решении задач разрушения пород взрывом нашли показатели: коэффициент крепости по шкале проф. М. М. Протодьяконова, плотность, скорость распространения продольной и поперечной волн и их затухание, предел прочности пород на сжатие и растяжение. Кроме этого имеются исследования, рекомендующие диаграмму ударной сжимаемости пород в коорди­ натах Р — V.

При расчете процессов бурения и бурового инструмента незави- . симо от вида бурения (вращательного, ударно-вращательного или ударного) используются одни и те же свойства пород, полученные статическим методом.

При шарошечном бурении находят применение твердость по штампу; коэффициент пластичности; удельная объемная работа разрушения; удельная контактная работа разрушения, получаемая по методу Л. А. Шрейнера.

2*