Лекция 1. Основные свойства горных пород

План лекции

1.1 Классификация свойств горных пород

1.2 Плотностные свойства горных пород

1.3 Механические свойства горных пород

1.4 Горнотехнологическое значение свойств горных пород

1.1 Классификация свойств горных пород

Горные породы представляют собой сложные природные тела, свойства которых зависят от минерального состава, структуры, текстуры, степени трещиноватости, влажности, условий залегания и истории формирования массива. В горном деле свойства пород имеют не только теоретическое, но и непосредственное практическое значение, поскольку именно они определяют поведение массива при проведении выработок, добыче полезного ископаемого, бурении, взрывании, креплении и поддержании горных сооружений.

Количество физических свойств горных пород может быть очень большим, однако в инженерной практике рассматривают прежде всего те свойства, которые влияют на устойчивость массива и технологию ведения горных работ. Для геомеханики особенно важны плотностные и механические свойства, так как они позволяют оценить напряжённо-деформированное состояние массива, устойчивость кровли, боков и почвы выработки, а также вероятность разрушения пород под действием горного давления.

Свойства горных пород можно классифицировать по характеру внешнего воздействия, при котором они проявляются. В этом отношении выделяют плотностные, механические, горнотехнологические, тепловые, электромагнитные и радиационные свойства. В рамках данной лекции основное внимание уделяется тем группам свойств, которые наиболее часто применяются при решении задач подземной геомеханики и проектирования горных выработок.

1.2 Плотностные свойства горных пород

Плотностные свойства характеризуют соотношение между массой, объёмом и внутренним строением горной породы. Они отражают, насколько порода является плотной, пористой, трещиноватой или насыщенной жидкостями и газами. Эти свойства имеют большое значение при оценке веса породного массива, расчёте нагрузки на крепь, анализе устойчивости выработок и прогнозировании поведения пород при изменении горного давления.

К числу основных плотностных характеристик относятся удельный вес, объёмный вес, плотность, пористость и коэффициент пористости. В практической геомеханике чаще всего рассматривают не отдельное значение того или иного показателя, а общий характер строения породы. Например, массивно-кристаллические породы обычно отличаются большей плотностью и прочностью, тогда как осадочные, рыхлые или сильно трещиноватые породы имеют более сложное и менее устойчивое поведение.

Особое значение имеет пористость. Под пористостью понимают наличие в породе пустот различного происхождения. Эти пустоты могут быть открытыми, когда они сообщаются между собой, или закрытыми, когда они изолированы внутри породы. Открытая пористость особенно важна для горного дела, так как она влияет на движение воды и газа в массиве. Именно поэтому при изучении угольных пластов, песчаников, алевролитов и других пород важно учитывать не только их плотность, но и характер пустотного пространства.

Пористость и трещиноватость могут существенно снижать прочность пород. Даже если минеральный состав породы указывает на её потенциальную прочность, наличие пор, микротрещин и нарушений структуры может привести к снижению устойчивости массива. В условиях подземных горных работ это особенно важно, поскольку вокруг выработки происходит перераспределение напряжений, и ослабленные породы могут быстрее переходить в разрушенное состояние.

Таким образом, плотностные свойства позволяют получить первичное представление о строении породы, её массивности, степени нарушенности и возможном поведении под действием горного давления.

1.3 Механические свойства горных пород

Механические свойства характеризуют способность горных пород сопротивляться внешним нагрузкам, деформироваться и разрушаться. Именно эти свойства лежат в основе расчётов устойчивости горных выработок, выбора типа крепи, оценки опасности обрушений, горных ударов, пучения пород почвы и других проявлений горного давления.

Механические свойства условно можно разделить на несколько групп: прочностные, деформационные, акустические и реологические.

Прочностные свойства показывают, какое сопротивление порода оказывает разрушению. К ним относятся прочность при сжатии, растяжении и сдвиге, а также сцепление и внутреннее трение. В горной практике особенно важно понимать, что горные породы значительно лучше сопротивляются сжатию, чем растяжению. Поэтому зоны растягивающих напряжений в массиве часто являются наиболее опасными с точки зрения образования трещин, расслоений и последующего обрушения.

Прочность при сжатии используется как один из основных показателей инженерной оценки пород. Чем выше сопротивление породы сжатию, тем устойчивее она обычно ведёт себя в массиве. Однако этот показатель нельзя рассматривать изолированно. Реальное поведение породы зависит также от слоистости, влажности, трещиноватости, направления нагрузки и условий залегания.

Прочность при растяжении, как правило, существенно ниже прочности при сжатии. Это объясняет, почему даже прочные породы могут разрушаться при возникновении растягивающих напряжений. В кровле горных выработок такие напряжения могут приводить к отслоению пластов, образованию трещин и выпадению отдельных блоков.

Прочность при сдвиге характеризует сопротивление породы смещению по определённой поверхности. Этот показатель особенно важен для слоистых, трещиноватых и нарушенных массивов. Если в породе имеются поверхности напластования, тектонические нарушения или зоны ослабления, разрушение часто происходит именно по этим направлениям.

Деформационные свойства отражают способность породы изменять форму и размеры под действием нагрузки. На начальной стадии нагружения многие породы ведут себя упруго: после снятия нагрузки они частично или полностью восстанавливают исходное состояние. При дальнейшем увеличении нагрузки возникают необратимые деформации, которые сохраняются после разгрузки. Это особенно важно при оценке долговременной устойчивости горных выработок.

Упругие свойства пород характеризуют их способность временно деформироваться без разрушения. Пластические свойства, наоборот, связаны с накоплением остаточных деформаций. Хрупкие породы разрушаются сравнительно резко, без значительного предварительного деформирования. Пластичные породы могут длительное время изменять форму, не переходя сразу в разрушенное состояние. В реальных условиях горного массива поведение пород часто является смешанным и зависит от скорости нагружения, влажности, температуры, глубины залегания и характера нарушенности.

Акустические свойства связаны с распространением упругих колебаний в породах. Они используются при геофизических и геомеханических исследованиях массива. По изменению характера прохождения упругих волн можно судить о плотности, трещиноватости, нарушенности и напряжённом состоянии пород. Чем более нарушен массив, тем сильнее изменяются параметры прохождения волн. Поэтому акустические методы широко применяются для диагностики состояния горных пород и выявления зон ослабления.

Реологические свойства характеризуют изменение деформаций и напряжений во времени. Даже если нагрузка остаётся постоянной, порода может постепенно деформироваться. Это явление особенно важно для слабых, глинистых, соляных, углистых и водонасыщенных пород. В подземных условиях реологические процессы могут проявляться в постепенном смещении пород кровли, боков и почвы выработки, развитии пучения, снижении устойчивости крепи и необходимости повторного ремонта выработок.

Таким образом, механические свойства горных пород определяют их поведение при нагружении, деформировании и разрушении. Их изучение является обязательным этапом при проектировании горных выработок и выборе способов их поддержания.

1.4 Горнотехнологическое значение свойств горных пород

Горнотехнологические свойства отражают поведение пород при выполнении производственных процессов. Они имеют большое значение при бурении, взрывании, резании, погрузке, транспортировке, креплении и поддержании горных выработок.

Одна и та же порода может быть прочной с точки зрения лабораторных испытаний, но при этом сильно трещиноватой в массиве. В таком случае её поведение в выработке будет определяться не только прочностью минерального материала, но и состоянием массива в целом. Поэтому в горной практике важно различать свойства образца и свойства массива. Образец показывает поведение относительно однородного фрагмента породы, тогда как массив включает трещины, слои, нарушения, контакты пород и зоны ослабления.

При проведении подземных выработок свойства пород влияют на выбор формы сечения, способа проходки, параметров буровзрывных работ, типа крепи и схемы поддержания. В крепких и устойчивых породах возможно применение более простых схем крепления. В слабых, трещиноватых или склонных к деформированию породах требуется усиленная крепь, комбинированные системы поддержания, анкеры, набрызг-бетон, металлические рамы или дополнительные мероприятия по укреплению массива.

Особое значение свойства пород имеют при оценке устойчивости кровли и почвы выработок. Если кровля сложена слоистыми или трещиноватыми породами, возрастает опасность отслоения и выпадения блоков. Если почва представлена слабыми или водонасыщенными породами, может развиваться пучение. В таких условиях необходимо учитывать не только прочность пород, но и их способность к длительному деформированию.

В угольных шахтах свойства пород также связаны с вопросами газоносности, проницаемости и безопасности ведения работ. Пористость, трещиноватость и нарушенность массива влияют на движение газа, эффективность дегазации и вероятность газодинамических явлений. Поэтому изучение свойств горных пород является неотъемлемой частью комплексной оценки горно-геологических условий.

В практическом отношении знание свойств горных пород позволяет:

определять устойчивость массива вокруг выработки;

выбирать рациональный тип крепи;

прогнозировать зоны возможного разрушения;

оценивать склонность пород к пучению, обрушению и расслоению;

обосновывать параметры бурения, взрывания и проходки;

повышать безопасность ведения горных работ.

Следовательно, свойства горных пород являются основой инженерной оценки массива. Без их изучения невозможно надёжно проектировать горные выработки, выбирать технологические решения и обеспечивать промышленную безопасность подземных работ.

Список использованной литературы

1. Протодьяконов М.М. О рациональной классификации горных пород // В кн.: Исследование физико-механических свойств и взрывного разрушения горных пород. - М.: Наука, 1970.

2. Ржевский В.В., Новик Г.Я. Основы физики горных пород. - М.: Недра, 1964.

3. Турчанинов И.А., Медведев Р.В., Панин В.И. Современные методы комплексного определения физических свойств горных пород. - М.: Недра, 1967.

4. Панюков П.Н. Инженерная геология. - М.: Госгортехиздат, 1962.

5. Рац М.В., Чернышев С.Н. Трещиноватость и свойства трещиноватых горных пород. – М.: Недра, 1970. – 164 с.