Горно-технологические параметры горных пород презентация

ОБОБЩЕННЫЕ
ГОРНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ
ПАРАМЕТРЫ ПОРОД
крепость;
хрупкость, пластичность;
твердость;
вязкость;
дробимость;
абразивность;
буримость;
взрываемость;
сопротивляемость резанию
трещиноватость и др.

Эти параметры учитывают разнообразные условия разрушения при сложном напряженном состоянии породы, а также метод воздействия на нее.
Поэтому, технологические показатели отражают комплекс свойств породы и являются функцией не только самой породы, но и механизма, воздействующего на нее.

Механические свойства предопределяют результат практически любого механического воздействия на горные породы.
Знание показателей механических свойств необходимо также для расчётов горного давления, выбора методов и средств поддержания горных выработок, а также при расчётах всех немеханических способов разрушения и упрочнения горных пород.
При сочетании высокой прочности и упругости горных пород применяют динамические способы разрушения, при пластичности и малой прочности — статическое нагружение пород при разрушении.

Крепость горных пород — характеристика сопротивляемости пород их добыванию (технологическому разрушению)
Понятие крепости ввёл проф. Михаи́л Миха́йлович Протодья́конов

Для ее количественной оценки он предложил коэффициент крепости - f.
Он пропорционален пределу прочности породы при одноосном сжатии.
Шкала́ Протодья́конова — шкала коэффициента крепости горной породы. Является одной из первых классификаций пород. Основывается на измерении трудоемкости их разрушения при добывании.

М.М. Протодьяконовым была разработана шкала крепости горных пород в соответствии, с которой все горные породы подразделены на 10 категорий.
К первой категории относятся породы, имеющие наивысшую степень крепости (f=20), к десятой — наиболее слабые плывучие породы (f=0,3).

При разработке шкалы М. М. Протодьяконов ввел понятие крепость горной породы.
В отличие от принятого понятия прочность материала, оцениваемой по одному из видов напряженного её состояния, например, временном сопротивлении на сжатие, на растяжение, на кручение и т. д., параметр крепость позволяет сравнивать горные породы по трудоемкости разрушения, по добываемости. Он полагал, что с помощью этого параметра возможно оценить совокупность действующих при разрушении породы различных по характеру напряжений, как это имеет место, например, при разрушении взрывом.

М. М. Протодьяконова разработал шкалу коэффициента крепости породы. Одним из методов определения этого коэффициента было предложено испытание образца породы на его прочность на сжатие в кг/см2, а значение коэффициента определялось как одна сотая временного сопротивления на сжатие.
Этот метод достаточно хорошо коррелирует со шкалой крепости, предложенной М. М. Протодьяконовым для пород различной крепости угольной формации, пород средней крепости, но мало пригоден при определении этим методом коэффициента крепости очень крепких пород.

ХРУПКОСТЬ И ПЛАСТИЧНОСТЬ ПОРОД
Так как пластические и обратные им — хрупкие свойства пород существенно сказываются на процессах их разрушения (в частности, пластичность увеличивает энергоемкость дробления и измельчения пород), в практике горного производства используют различные горно-технологические показатели пластичности и хрупкости.

Деформационные свойства горных пород
Горные породы под действием приложенных нагрузок в одних случаях меняют только свою форму и объем без разрыва сплошности (пластическая деформация),
в других случаях —разрушаются на отдельные элементы без заметной пластической деформации.
выделяют такие важные свойства пород как пластичность, хрупкость и упругость.

пластичность - свойство породы необратимо деформироваться от воздействия внешних сил.
хрупкость - способность породы разрушаться без заметной пластической деформации
упругость-способность породы восстанавливать первоначальную форму или объем после снятия нагрузки.
Горные породы (кроме рыхлых и плывучих) в зависимости от деформационных свойств делятся на упруго-хрупкие, упруго-пластичные, высокопластичные

Графики деформации пород
1–хрупкая порода (кварцит)
2– упруго-пластичная порода (мрамор)
3–высокопластичные (глина, каменная соль)
р- нагрузка, Н
δ-величина деформации, мм

В качестве технологического показателя пластичности принимают параметр, определяющий, во сколько раз удельная работа разрушения образца реальной породы Ар при одноосном сжатии выше удельной работы разрушения идеально упругой породы Ау с тем же пределом прочности при сжатии.

Коэффициент пластичности – отношение работы на разрушение образца реальной породы к работе на разрушение идеально упругой породы:

Упруго-хрупкие породы (гранит, кварцит, джеспилит) разрушаются по достижении предела упругости, а при разрушении упруго-пластичных (мрамор, известняк, сланец) необходимо преодолевать еще и вязко-пластичные деформации.
Поэтому упруго-хрупкие породы разрушаются легче, чем упруго-пластичные.
Но такое деление пород на хрупкие и вязкие условно, так как при ударных нагрузках даже высокопластичные породы могут становиться хрупкими, а при статических — хрупкие проявлять пластические свойства.

ТВЕРДОСТЬ ГОРНЫХ ПОРОД
определяет сопротивляемость породы внедрению острого инструмента, т. е. разрушению при точечном (контактном) нагружении. Твердость минералов принято оценивать по шкале Мооса.

Твердостью называется способность породы оказывать сопротивление проникновению в нее другого более твердого тела.
Это очень важное свойство горных пород, определяющее глубину внедрения резцов породоразрушающего инструмента, поэтому влияющее на скорость бурения скважин и шпуров.
Твердость горных пород зависит также от способа приложения нагрузок, которые могут быть статическими и динамическими.
В зависимости от того, вдавливается ли инструмент в породу при постепенно увеличивающейся нагрузке или ударе, различают статическую Hст и динамическую Hд твердость, причем они не равны.
Динамическая твердость в 10 раз меньше статической.

Вдавливание штампа (метод проф. Шрейнера Л.А.)
а — для упругих пород;
б —для высокопластичных и сильнопористых пород;
δ — наибольшая деформация породы,
h — глубина лунки разрушения

ВЯЗКОСТЬ ПОРОД
Наиболее трудно поддаются разрушению породы, имеющие высокую прочность и большую зону пластической деформации. Такие породы являются вязкими.

Вязкость — свойство, характеризующее сопротивляемость усилиям, стремящимся отделить часть породы от массива.
Вязкость часто выражают через работу деформации — работу, необходимую для разрушения породы.
Вязкость зависит от прочности и пластичности породы. В однородных породах вязкость равномерна во всех направлениях. В неоднородных породах вязкость вдоль слоев меньше, чем в направлении, перпендикулярном к ним.

ДРОБИМОСТЬ ПОРОД
выражает энергоемкость процесса дробления породы приложением к ней динамической нагрузки. Как показали исследования, этот показатель лучше коррелирует с динамическими методами разрушения пород, чем предел прочности при одноосном нагружении образцов под прессом.
Дробимость – параметр обратный вязкости.

Дробимость характеризует относительную сопротивляемость породы измельчению при воздействии ударной нагрузки.
Дробимость является энергетической оценкой разрушения породы в условиях сложнонапряженного состояния. Операция дробления широко распространена при производстве щебня, а также при обогащении и подготовке к дальнейшей переработке полезных ископаемых, поэтому сведения о дробимости необходимы для расчета параметров дробилок и потребности в энергии.

Опыты по определению дробимости проводят на образцах в виде кусков породы. Эти куски подвергают толчению, истиранию, раздавливанию. Характер воздействия на породы при испытаниях аналогичен технологическим операциям при разрушении пород.
Во всех случаях определения дробимости оценку результатов устанавливают с помощью ситового анализа.

Известны следующие методы определения дробимости:
- однократное сбрасывание породных образцов с определенной высоты,
- дробление падающим грузом (однократный удар),
- толчение при многократных ударах падающим грузом,
- измельчение в барабанах и мельницах,
- раздавливание образцов в замкнутых сосудах.

Широко используется метод дробления однократным ударом падающего груза, предложенный Л.И. Бароном, В.М. Курбатовым и Р.В. Орловым.
По этому методу образец неправильной формы разрушается гирей массой 16 кг, падающей с высоты 0,5 м. Разрушенный материал собирают и просеивают на ситах с размером отверстий 7 и 0,25 мм. Основным показателем дробимости является суммарный объемный выход фракции Vmax, прошедшей че¬рез сито 7 мм, на основе которого составлена классификация пород

Классификация пород пo суммарному объемному выходу фракции

АБРАЗИВНОСТЬ ПОРОД
характеризует способность пород изнашивать при трении инструмент.
Абразивность оценивают по износу материала, контактирующего с горной породой.
Наиболее абразивными горными породами являются порфириты, диориты, граниты и породы, содержащие корунд.

Абразивность горных пород
Абразивностью называется способность горной породы изнашивать породоразрушающий инструмент в процессе бурения.
Абразивность породы зависит от твердости породообразующих минералов, характера сцепления зерен друг с другом, крупности и формы зерен, плотности породы и степени ее трещиноватости.
Наиболее абразивными оказываются породы, в которых твердые минералы (например кварц, корунд, гранат) сцементированы менее твердым материалом.

Процесс абразивного износа - это сумма отдельных царапаний, приводящих к срезанию тончайших стружек с резцов породоразрушаюшего инструмента.
Для оценки абразивности горных пород предложено много способов, однако в основании их положен один и тот же принцип: это истирание эталонного материала (коронка, стеклянный диск, стальной стержень и т.д.) испытуемой породой в полевых условиях. Наиболее часто применяются способы по потере веса шариков или стального стержня.

Способ стержня, разработанный Л. И. Бароном и А. В. Кузнецовым заключается в определении потери веса стержня из стали серебрянки при трении о горную породу. Стержень изготавливается из необработанной термической стали серебрянки. Диаметр стержня 8 мм. Способ пригоден для пород и минералов с твердостью 3 и выше по шкале Мооса.
Критерием абразивности горной породы считается потеря в весе стержня (в мг) за 10 мин. Стержень вращается с помощью специально приспособленного сверлильного станка при осевой нагрузке 15 кг и скорости вращения 400 об/мин-

Классификация горных пород по абразивности (по Л. И. Барону и А. В. Кузнецову)

Буримость
Это степень сопротивляемости пород разрушению буровым инструментом, выражаемая длиной пробуренного шпура в единицу времени (м/час).

Под буримостыо понимают способность горной породы разрушаться под действием различных породоразрушающих инструментов.
Буримость горных пород определяется:
величиной углубки породоразрущающего инструмента в данную породу за единицу чистого времени бурения и измеряется в метрах в час.

Буримость зависит от:
механической прочности породы,
твердости,
абразивности,
анизотропности

Анизотропность
Это - различные физико-механические свойства породы во взаимно -перпендикулярных направлениях.
Анизотропность связана
с направлением слоистости или трещиноватости породы
Pш1 - Минимальная твердость
Pш2 - Максимальная твердость

Pш1 - Минимальная твердость (наибольшая буримость).
Рш2 - Наибольшее значение твердости (наименьшая буримость).
Степень анизотропности,
ή= Pш2/Pш1
(в разных породах ή изменяется от 1 до 1,75)

Буримость горных пород зависит также от способа бурения, а вернее способа разрушения горных пород.
Для различных способов бурения разработаны свои классификации горных пород по буримости:
при вращательном способе бурения все породы разбиты на 12 (двенадцать) категорий,
при ударном — на7 (семь),
при разведке россыпей — на 6 (шесть)

Классификация горных пород по буримости необходима, как единый критерий:
при планировании, проектировании, финансировании буровых работ;
при определении потребности в оборудовании, инструменте, материалах;
при нормировании труда рабочих геологоразведочных организаций, работающих в различных геологических условиях.

Определение категории горных пород по буримости
Для установления категории породы по буримости (для вращательного бурения) из нее отбирают две-три пробы керна и на приборе определяют коэффициенты динамической прочности Fд и абразивности Ка.
Рассчитывают объединенный показатель
ρм=3Fд0,8Ка
Fд – динамическая прочность Fд=0,1-30
Ка–абразивность, Ка=0,1-5
ρм =2-115 - породы от III до XII категории по буримости

Классификация горных пород по буримости для вращательного бурения

Взрываемость
степень сопротивляемости пород разрушению взрывом, выражаемая расходом взрывчатых веществ на дробление 1 м3 горной породы в массиве (кг/м3) - удельный расход ВВ.

Взрываемость горной породы характеризует сопротивляемость ее разрушению действием взрыва.
Это комплексная характеристика, которая изменяется в широких пределах и зависит от крепости, хрупкости, пластичности, трещиноватости, слоистости, степени выветривания и других свойств.
Однако попытки напрямую связать взрываемость, например с буримостью, часто приводят к ошибкам, так как во многих случаях легкобуримые и труднобуримые породы по отношению к взрывному разрушению оказываются равнозначными.

Характеристикой взрываемости является «удельный расход ВВ» — заряд эталонного ВВ, необходимый для разрушения 1м3 породы до кусков определенной крупности при стандартных условиях взрывания.

Взрываемость может быть определена также расходом эталонного ВВ на образование воронки нормального выброса зарядом определенной формы.
Условия проведения испытаний: заряд помещают в шпур диаметром 40 мм, пробуренный под углом 45° к горизонтальной свободной поверхности при глубине заложения 1 м.
Все горные породы по трудности взрывания подразделяют на 5 классов

Сопротивление резанию
Это усилие, развиваемое режущим лезвием инструмента, отнесенное к единице его длины, необходимое для разрушения породы.

Средняя сопротивляемость резанию угля и породы A (кН/см) определяет усилие, необходимое для снятия среза (стружки толщиной 1 см) резцом ДСК-2 в блокированных условиях.
Показатель сопротивляемости A достаточно хорошо коррелирует с коэффициентом крепости f, имея зависимость
Механические свойства горных пород

Трещиноватость горных пород
Трещиноватость — это совокупность в горной породе трещин различного происхождения и разных размеров.
Трещиноватость ухудшает процессы бурения, увеличивает поглощение промывочной жидкости, снижает процент выхода керна, уменьшает устойчивость пород в стенках скважины, увеличивает абразивность пород.
Наиболее простой и удобный критерий оценки трещиноватости горных пород — выход керна.

За количественный показатель трещиноватости принимается степень раздробленности керна, определяемая удельной кусковатостью (Ку), которая выражается числом отдельных кусков, столбиков и обломков породы в одном метре выхода керна.

Образцы пород
при колонковом
бурении скважин (бурении с отбором керна)
а – в виде
цельного столбика
или кусков
цилиндрической
формы;
б – в виде
разрушенной
массы.
а
б

Образцы
получаемого керна
при бурении
различных
пород
в– в виде отдельных кусочков неправильной формы (обломков);
г – в виде отдельных плашек (шайб).

Количественный показатель трещиноватости
Это-степень раздробленности керна, определяемая удельной кусковатостью (Ку),
т. е. числом отдельных -
кусков, столбиков, обломков породы
в одном метре выхода керна – Вк
Вк= lк/ lи ·100,%
где Вк — выход керна, %;
lк — длина извлеченного керна, м;
lи — длина пройденного интервала, м.