Физико-механические свойства горных пород
Физические свойства горных пород характеризуют их физическое состояние. К ним относятся:
1.Структура характеризует внутреннее строение, т. е. форму, размер и взаимное расположение минералов в породе, состав цемента в осадочных породах, а также вид связей между зернами. Мелкозернистые породы при одинаковом минеральном составе, обладают более высокой прочностью, чем крупнозернистые или породы неравномернозернистого строения.
2.Текстура горных пород характеризует закономерности в распределении и расположении структурных элементов. Массивная текстура – частицы горной породы не ориентированы, плотно прилегают друг к другу. Пористая – в горной породе имеется множество пустот. Слоистая – частицы породы чередуется с другими частицами, образуя слои и напластования.
Элементы строения массива (структура и текстура) во многом определяют его прочностные свойства.
Под плотностью горных пород и породообразующих минералов следует понимать массу единицы объема со всеми содержащимися в ее порах жидкостями и газами.
Слоистость — является одной из форм текстуры и обусловливается чередованием в накоплении осадков по крупности зерен, составу, окраске и пр.
Слоистость оценивается визуально:
А) по признакам масштаба – макрослоистость, микрослоистость,
Б) по геометрии – параллельная, косая, прерывная,
В) по резвости проявления – неясная, отчетливая.
Со слоистостью связана способность горных пород разделяться на отдельные слои и расслаиваться. Это явление уменьшает устойчивость обнажений горных пород.
В некоторых горных породах имеется система мелких субпараллельных плоскостей тектонического происхождения (на тонкие пластинки, мелкие призмочки, линзы и т. д.). Это явление называется Кливажем. По трещинам кливажа масса породы может неожиданно отслоиться и обрушиться.
Трещиноватость – характерное свойство массива горных пород.
Различают типы трещин:
Ø тектонические,
Ø трещины отдельности,
Ø выветривания,
Ø откоса,
Ø отслаивания,
Ø напластования и смещения.
По происхождению делятся на прирожденные и Тектонические. Трещиноватость горных пород определяется по числу трещин или расстоянию между ними.
Механические свойства горных пород являются разновидностью физических свойств. Они выражаются в способности горных пород оказывать сопротивление деформированию и разрушению под действием внешних сил. К ним относятся:
Прочность – способность горной породы сопротивляться внешним силам, стремящимся разрушить связь между зернами, слагающими эту породу, зависит от способа деформации. Различают прочность на сжатие, растяжение, изгиб и скалывание. При всестороннем объемном (забой шпура, скважины) сопротивление увеличивается.
Твердость – способность пород оказывать сопротивление проникновению в нее другого, более твердого тела и является частным случаем прочности при местном приложении разрушающих нагрузок. Это важное свойство пород, определяющее величину внедрения лезвия головки буров (резцов) и поэтому существенно влияющих на скорость бурения скважин.
Абразивность – способность горной породы изнашивать контактирующие с ней поверхности горных машин или горного оборудования в процессе их работы. Зависит от твердости породообразующих минералов, характера сцепления зерен друг с другом, крупности и формы зерен, плотности пород и степени ее трещиноватости. Чем тверже и крупнее зерна минералов, чем острее их ребра, тем выше абразивность пород.
Горные породы под действием приложенных нагрузок в одних случаях меняют только свою форму объем без разрыва сплошности (пластичная деформация), в других разрушаются на отдельные элементы без заметной пластичной деформации. В связи с этим выделяют:
Пластичность – свойство горных пород под воздействием сил претерпевать остаточную деформацию (пластические деформации после снятия нагрузок) без микроскопических нарушений сплошности.
Упругость – способность породы восстанавливать первоначальную форму и объем после снятия нагрузки.
Вязкость – сопротивление пород силам, стремящимся разъединить их частицы. В однородных и простых породах вязкость равномерна во всех направлениях. Наибольшей вязкостью обладают мелкозернистые породы.
Буримость – способность горной породы сопротивляться проникновению в нее бурового инструмента, характеризуется скоростью бурения (мм/мин). Буримость положена в основу современной классификации горных пород.
Взрываемость – сопротивляемость горных пород разрушению действием взрыва. Определяется удельным расходом ВВ (кг/м3).
Крепость – способность горной породы сопротивляться бурению, отбойке, взрыванию и другим внешним воздействиям.
В природе разрушающих горную породу напряжений все способы бурения делятся на механические, при которых разрушение происходит вследствие развития в породе механических напряжений, и термические, при которых разрушение происходит вследствиие развития в породе температурных напряжений.
К механическим способам бурения относятся:
Ø ударный,
Ø вращательный,
Ø ударно-вращательный,
Ø вращательно-ударный,
Ø ультразвуковой,
Ø взрывной,
Ø электрогидравлический и гидравлический.
К термическим относятся
Ø огневое,
Ø плазменное,
Ø электротермическое бурение.
По видам передачи энергии породе способы бурения делятся на
а) контактные (ударное, вращательное, ударно-вращательное, вращательно-ударное, взрывное, электротермическое)
Б) бесконтактные (термическое, плазменное, гидравлическое, электрогидравлическое, ультразвуковое).
Способы воздействия на породу:
Ø твердым породоразрушающим инструментом (ударно-вращательное, ударное, вращательное, вращательно-ударное);
Ø газами (взрывное бурение патронированными зарядами);
Ø жидкостью (электрогидравлическое и гидравлическое бурение);
Ø электрическим током (электротермическое и электроимпульсное бурение);
Ø комбинированные (с помощью газов и тепла – струйное взрывобурение, огневое, плазменное бурение, с помощью абразива и жидкости – ультразвуковое бурение).
По способу разрушения забоя может быть колонковое бурение с отбором керна и бурение сплошным забоем.
По способу удаления продуктов разрушения из забоя различают периодическую (с помощью желонок, различных буров и грунтоносов) и непрерывную очистку, осуществляемую механически с помощью витых штанг и шнеков при вращательном бурении и циркулирующим жидким, аэрированным (водовоздушная смесь) или газообразным агентом при шарошечном и ударном бурении.
По способу подачи промывочного агента к забою возможны прямая очистка, при которой агент движется внутри бурильных труб или штанг и перфоратора, омывают забой и вместе с продуктами разрушения поднимается по затрубному пространству на поверхность, и обратная очистка, когда промывочный агент подаётся по затрубному пространству, поступает вместе с продуктами разрушения внутрь бурового става и поднимается на поверхность. Последний способ при бурении шпуров широко применяется при отсосе шлама.
По виду используемой энергии различают ручное бурение, когда все операции выполняются вручную, и машинное, когда все процессы бурения выполняются различными механизмами.
Механическое разрушение – отделение горных пород от массива или их дробление (измельчение) путём воздействия на породу породоразрушающего инструмента – резца, фрезы, шарошки, ударника, алмазных и абразивных кругов и коронок, скалывателей и др. В результате действия того или иного механического фактора протекают физические процессы чисто механического разрушения породы: сжатие, раздавливание, дробление, скалывание, резание и др.
Гидравлическое разрушение осуществляется воздействием на горную породу струй воды под высоким давлением.
Термическое разрушение пород происходит под действием физических полей, создаваемых без использования специальных породоразрушающих инструментов за счёт физико-химических процессов, протекающих под действием высокой температуры. Термическому разрушению способствует низкая теплопроводность породы, анизотропия её, высокий коэффициент теплового расширения и т. д.
Взрывоударное разрушение – разрушение и перемещение горных пород под действием энергии взрывчатых веществ, размещённых в массиве (в скважинах, шпурах, камерах и пр.).
Электрические способы ослабления и разрушения основаны на воздействии на горную породу электрической энергии в виде электромагнитного поля, электрического разряда, электрического тока и др.
При проведении горно-разведочных выработок в основном имеет место взрывоударное разрушение горных пород и применение связанных с ним механических способов, необходимых для создания в массиве пород полостей с целью заложения заряда ВВ.
При Вращательном способе Порода разрушается при вращении породоразрушающего инструмента с наложением постоянно действующего (статического) осевого усилия. Этот способ в основном применяется при бурении шпуров в мягких и средней крепости породах (F£10).
При Ударном способе разрушение породы происходит при нанесении ударов породоразрушающим инструментом по породе с определённой силой и скоростью.
Выделяются следующие комбинации ударного и вращательного способов бурения:
Ударно-поворотное бурение обычными и погружными бурильными молотками (перфораторами), при котором инструмент в промежутках между ударами поворачивается на определённый угол (к ударно-поворотному относится и ударно-канатное бурение скважин);ударно-вращательное бурение погружными пневмо- или гидроударниками и перфораторами с независимым вращением, при котором удары наносятся по непрерывно вращающемуся инструменту.
При указанных двух способах бурения порода разрушается в основном в результате ударов:
При вращательно-ударном бурении удары наносятся по непрерывно вращающемуся под большим осевым усилием инструменту. Разрушение породы происходит в результате ударов и вращения инструмента.
При Вибрационном способе происходит погружение специального забойного инструмента обычно цилиндрической формы в рыхлую породу под действием вынужденных продольных колебаний – вибраций и осевого усилия.
При Способе задавливания происходит погружение породоразрушающего инструмента, имеющего форму конуса или полого цилиндра, в мягкую породу под действием осевого усилия. Разрушаемая порода в этом случае уплотняется в стенках скважины.
При Вибрационно-вращательном способе разрушение пород происходит при вращении специального инструмента и действии осевого усилия.
В результате взаимодействия инструмента с породой наблюдается три основных типа разрушения.
Первый – разрушение под лезвием инструмента монолита в мелкодисперсную массу. Размеры частиц менее глубины внедрения инструмента и меньше первоначальных кристаллов и зёрен породы.
Второй – скалывание по краям зоны дробления, которое за счёт неоднородности и начальных дефектов в породе приводит к тому, что размеры зоны разрушения несколько отличаются от правильных. Размеры частиц значительны.
Третий – образование трещин в породе под зоной (ядром) измельчения, позволяющих при повторных воздействиях увеличивать зону разрушения.