Файл: Лобанов, Д. П. Гидромеханизация геологоразведочных и горных работ учеб. пособие.pdf

Г л а в а II

ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ГИДРОСМЕСЕЙ ИЗ РАЗЛИЧНЫХ ГОРНЫХ ПОРОД

§1. ПРОЧНОСТНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ГОРНЫХ ПОРОД

Впроцессах гидромеханизации потоки жидкости или струи воздействуют на горные породы, находящиеся в естественном состоя­ нии (в целике), разрыхленном с помощью взрыва или другого вида

испособа разрушения, либо в раздробленном (измельченном) состоя­ нии. Во всех состояниях горные породы обладают прочностными

характеристиками, учет которых имеет большое практическое зна­ чение.

Различные свойства горных пород, в т. ч. прочностные харак­ теристики их в коре выветривания и в дробленом или измельченном состоянии под действием естественных или искусственных факторов определяются г е н е з и с о м п о р о д . В зависимости от генезиса, как известно, различают две основные генетические группы горных

■а также различные наносы и почвы часто называют грунтами (по строительной терминологии).

И з в е р ж е н н ы е г о р н ы е п о р о д ы обладают наиболь­ шей прочностью и четко выраженными свойствами твердого тела — упругостью и др. К таким породам можно отнести кварциты, базальты тн др. В коре выветривания прочность пород постепенно уменьшается с выходом на поверхность.

О с а д о ч н ы е г о р н ы е п о р о д ы имеют наиболее разно­ образные прочностные характеристики. Одни из иих представлены в виде твердых разностей, другие — в виде рыхлых образований, между составляющими элементами которых нет прочностных связей (осадки). К таким породам можно отнести пески, галечники и др. Некоторые породы выражены пластичными твердыми телами (глины), в которых проявляются структурные связи коллоидной природы.

22

М е т а м о р ф и з о в а н и ы е г о р н ы е п о р о д ы в зави­ симости от направленности протекания процесса могут иметь мень­ шую или большую прочность, чем первоначальные породы. Под влиянием глубинного метаморфизма прочность изверженных пород, уменьшается (за счет расслапцевания и слоистости). В свою оче­ редь метаморфизм осадочных отложений приводит к повышению проч­ ности и устойчивости горных пород.

П о ч в ы — рыхлый поверхностный слой коры выветривания. По составу и прочностным свойствам почва обычно резко отличается от нижележащих слоев горных пород, из которых она образовалась- (вследствие дополнительного воздействия растительных и животных организмов).

Прочность горных пород зависит не только от минерального со­ става, но определяется главным образом в н у т р е н н и м и с в я ­ з я м и между слагающими породу элементами. Так, у песчаника прочностные характеристики в зависимости от степени цементации изменяются для слабых и прочных разностей в несколько сотен раз. То же относится к известнякам, например, кристаллическим и ра­ кушечным, сланцам и др.

При гидромеханизации разрушению струями воды подвергаются в основном рыхлые осадочные породы и слабые полезные иско­

ботки встречаются все виды горных пород и полезных иско­ паемых.

Таким образом, в зависимости от характера связей горные породы

определяются следующими факторами: кавернозностыо, трещинова­ тостью, пористостью, слоистостью п др.

Процессы гидромеханизации наиболее широко применяют в рабо­ тах с осадочными породами. В этой разновидности большую долю занимают г л и н и с т ы е породы. К глинистой фракции, обусловли­ вающей характерные свойства содержащих ее пород, относят продукты, выветривания в виде частиц крупностью от 10 до 0,001 мк. Высокая степень раздробленности, или иначе д и с п е р с н о с т и , глинистых частиц обусловливает их большую удельную поверхность. Этотфакт в свою очередь вызывает проявление при определенных условиях (особенно в воде) свойств, наиболее характерных для коллоидных систем.

М е х а н и ч е с к а я п р о ч н о с т ь ( ж е с т к о с т ь ) г о р ­

п р о ч н о с т ь ю п о н и м а е т с я с п о с о б н о с т ь п о р о д , с о п р о т и в л я т ь с я в н е ш н и м с и л а м (нагрузкам).

23:

Различают жесткость на сжатие, растяжение, изгиб, сопротивле­ ние срезу и на удар (вязкость пород). Эти характеристики получают в процессе испытаний. Наиболее распространенными испытаниями прочности твердых горных пород являются и с п ы т а н и я н а с ж а т и е и с д в и г .

Жесткость на сжатие характеризуется в р е м е н н ы м с о п р о - т и в л е н и е м с ж а т и ю стСж [Н /мг], которое выражает предель­ ную нагрузку разрушения образца. Для определения данной харак­ теристики из породы выпиливают образцы правильной формы в виде цилиндра или куба (обычно с размерами сторон 7—10 см) и раз­ давливают их прессом. Чем больше степень неоднородности породы (по структуре, трещиноватости и пр.), тем больших размеров берется ■образец (до 40 см). Количество образцов для одной разности породы — не менее трех.

Сопротивление сжатию пород обычно различно в разных направле­ ниях, что зависит от слоистости и других факторов. Поэтому при подготовке и испытании образцов их необходимо ориентировать в соответствии с условиями залегания и плоскостями напластования. Кроме того, следует учитывать влияние на этот показатель прочности ■структуры, порпстостп (трещиноватости), степени выветрелости и других факторов. В табл. 1 приведены примерные значения времен­ ного сопротивления сжатию для отдельных пород (предел проч­

ности).

Таблица 1

Значении асж для некоторых горных пород

Известняки:

В соответствии с табл. 1 наибольшими значениями осж обладают породы с жесткой связью между зернами. Чем меньше сцементиро­ ваны, особенно в осадочных породах, зерна или чем больше под­ вергнуты породы выветриванию, тем этот показатель ниже.

Временное сопротивление пород растяжению составляет в сред­ нем около 0,1 о сж, а скалыванию 0,07 асж.

Отдельные горные породы, например, глинистые и. особенно рыхлые песчаные отложения под действием внешней нагрузки умень­ шаются в объеме, т. е. с ж и м а ю т с я или дают у с а д к у . Если уменьшение объема происходит без бокового расширения в процессе -сжатия, то усадка происходит за счет уменьшения пористости по­

М

роды, т. е. вследствие сближения твердых частиц, а также их разру­ шения.

Величина сжатия рыхлых песчаных пород зависит от размера и формы частиц и от примеси глины. Сжатие чистых песков мало. Характерной особенностью этих пород является их способность- к уплотнению при вибрациях. В свою очередь при насыщении водой они быстро переходят в неустойчивое — п л ы в у н н о е с о с т о я - н и е.

Сжимаемость глинистых пород в значительной степени опреде­ ляется нх структурой (т. е. прочносттпо связей между частицами), пористостью и влажностью. При

литных, так и для несцементированных (песчаных или обломочных) п глинистых горных пород. Для последних этот показатель имеет значение для количественной оценки устойчивости склонов, для определения угла заложения откосов канав и некоторых других выработок.

Силхл сопротивления в твердых породах обусловливаются жест­ кими связями между зернами. Поэтому сдвигающие силы в них дают с к о л . В рыхлых и глинистых породах сопротивление сдвигу имеет более сложный характер и складывается из сопротивления трения на поверхности зерен (слоя) и сопротивления их перемеще­ нию. Сопротивление породы сдвигу зависит от пористости, влаж­ ности и степени нарушениости структуры.

Для оценки сопротивления сдвигу пользуются понятием к о э ф ­

к поверхности скольжения; показатель определяется на специаль­ ных образцах (рис. 4).

На практике широко пользуются понятием к р е п о с т ь пород, под которым понимают их суммарное сопротивление воздействию

д о й п р и п р о в е д е н и и г о р н ы х в ы р а б о т о к и л и

пр и б у р е н и и .

Втехнологии гидромеханизации пользуются классификацией пород по крепости, основанной на оценке сопротивляемости их про­ ведению выработок (М. М. Протодьяконова — старшего). Выражается

25

•сопротивляемость к о э ф ф и ц и е и т о м к р е п о с т и /, устана­ вливаемым для каждой породы по прочностным характеристикамо,.ж. По величине / все породы подразделяются на категории. В табл. 2 приведены данные для наиболее характерных пород, встречающихся в практике гидромеханизации (I—III категории наиболее крепких пород, / = 8—20).

§ 2. О ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВАХ ГОРНЫХ ПОРОД

зависит от пористости породы. Для твердых горных пород вслед­ ствие малой их пористости значения удельного и объемного весов близки. Эта величина определяется на образцах правильной формы, для которых измеряется объем и вес в сухом состоянии.

П о р и с т о с т ь определяется разностью объема пробы в есте­ ственном и предельно плотном состоянии, отнесенной к объему в есте­ ственном состоянии. Пористость, например, песков аллювия 42%,

Вгидромеханизации пользуются также понятием в о д о п о г л о ­

ще н и е. Способность породы поглощать воду выражается отноше­ нием количества поглощенной воды к весу сухой.породы и обозна­ чается w.

26