Физико-механические свойства горных пород весьма раз­нообразны. Наиболее существенными из этих свойств, оказыва­ющих влияние на эффективность разрушения горных пород и ведения горных работ, являются строение и сложение пород, слоистость, прочность, крепость, пористость, вязкость, упругость, твердость, пластичность, разрыхляемость и др.

Горные породы подразделяются на твердые, пластичные, сыпучие и плывучие. Твердые горные породы состоят из мине­ральных частиц, связанных между собой силами молекулярного сцепления и трения. Механическая характеристика горных по­род выражается формулой

т = С + cpjV,

где т — касательные напряжения на площадке сдвига; С — си­ла сцепления между отдельными частицами; ф — коэффициент

трения (ср = tap); р — угол внутреннего трения; N—нормальная сила.

Строение и физические свойства горных пород обусловли­вают безопасное и эффективное ведение горнопроходческих и очистных работ. Состояние и свойства пород определяют спо­соб проведения выработок, тип и плотность крепи подготови­тельных выработок.

Проявление горного давления и устойчивость выработок в значительной степени зависят от плотностных, водно-физиче­ских, прочностных и деформационных свойств пород. Сущест­венное влияние, эти свойства оказывают и на технологию про­ведения выработок.

Основными плотностными свойствами горных пород явля­ются плотность, объемная масса, удельный вес, объемный вес, насыпная объемная масса и пористость.

Под плотностью породы р понимают массу ее в единице объема за вычетом объема пор, пустот и трещин. Плотность по­роды измеряют в кг/м3 (в производстве иногда — т/м3). Плот­ность каменных углей — 1300—1500, песчаников, алевролитов, известняков — 2580—2800, магматических и метаморфических пород, в зависимости от содержания в них металла, от — 2700 до 5000 кг/м3.

Объемная масса горной породы р0 — это масса в ее естест­венном состоянии без нарушения ее пор, пустот и трещинова­тости в единице объема. Объемная масса большинства пород находится в пределах от 1300 до 4500 кг/м3, т. е. от 1,3 до 4,5 т/м3. Объемная масса каменных углей— 1300—1400, песчаников, алев­ролитов и аргиллитов — основных пород кровли и почвы пла­стов угля — 2400—2650 кг/м3. Объемная масса глин, суглинков и других пород вблизи земной поверхности равна в основном 1700—2300 кг/м3.

Понятиями плотности и объемной массы породы пользу­ются при оценке количества породы или добытого полезного ископаемого.

Удельный вес горной породы у— вес единицы объема твердых частиц (минерального скелета) породы (Н/м3):

У = £Р.

где g — ускорение свободного падения, м/с3.

Объемный вес породы у0 — вес единицы объема породы в естественном состоянии у0 (Н/м3):

Уо = gpo.

Понятиями удельного веса и объемной массы породы поль­зуются при оценке горного давления или нагрузки на крепь.

Насыпная объемная масса породы — масса разрыхленной породы в единице объема. Ее измеряют, как и объемную массу р, в кг/м3. Насыпная объемная масса (кг/м3)

рн = р /Кр,

где Кр — коэффициент разрыхления породы.

Насыпная объемная масса каменных углей — 900—1000, пес­чаников и алевролитов— 1200—1400 кг/м3.

Пористость горной породы характеризует объем пустот, име­ющихся в ней. Пористость определяется делением объема пус­тот в породе на полный ее объем и выражается в процентах. Средняя пористость магматических и метаморфических пород составляет 0,2—3 %, известняков, песчаников, алевролитов, ар­гиллитов, каменных углей — 5—15 %.

Пористость породы определяет ее водопоглощение, водопро­ницаемость, газопроницаемость, прочность и другие свойства.

Водно-физические свойства горных пород характеризуются естественной влажностью, водопоглощением, размокаемостыо, размягчаемостью и набуханием.

Под влажностью горной породы понимают массу воды, ко­торая содержится в ней. Ее определяют по разности массы об­разца в естественном состоянии и массы этого же образца, вы­сушенного при температуре 105—ПО °С. Она выражается в про­центах. В природных условиях залегания влажность магмати­ческих пород не превышает 2 %, каменных углей и вмещающих пород — 6 %.

Водопоглощение — способность пород поглощать воду. Ее оценивают количеством воды, поглощенной породой при пол­ном ее погружении в воду в условиях атмосферного давления. Водопоглощение прочных пород составляет от 0,3 до 6 %, мяг­ких слабосцементированных осадочных пород — от 10 до 25 % и более.

Под размокаемостыо понимают способность породы при по­глощении (впитывании) воды терять связность и превращаться в рыхлую массу. Магматические, метаморфические и прочные углевмещающие породы не размокают. При взаимодействии с водой лишь снижается их прочность и другие механические свойства.

Быстро размокает большинство грунтов вблизи земной по­верхности. Размокает также значительная часть углевмещаю­щих аргиллитов на глинистом цементе.

Размягчаемость характеризует снижение прочности породы под влиянием воды. Ее оценивают коэффициентом размягчае - мосги, представляющим собой отношение предела прочности породы при сжатии после насыщения ее водой и до насыщения.

Набухание — способность породы к увеличению своего объема при поглощении воды. Оно проявляется у глинистых слабосвязанных пород. Набухаемость породы характеризуется величиной набухания, которая выражается относительным из­менением объема или высоты образца в процентах.

Песчаники, алевролиты, аргиллиты и переслаивания этих пород набухают очень мало. Величина относительного набуха­ния их, как правило, не превышает 0,8—1,0 %. Глинистые и другие слабосвязанные породы (грунты), залегающие главным образом вблизи земной поверхности, подразделяют по величи­не свободного (без нагрузки) набухания на следующие классы: ненабухающие — менее 4, слабонабухающие — 4—10, средне- набухающие— 10—15, сильнонабухающие — более 15.

Набухание глинистых пород оказывает большое влияние на их пучение и устойчивость выработок.

Прочность — свойство горной породы воспринимать внеш­ние силовые воздействия не разрушаясь. Критерием прочности являются временные сопротивления одноосному сжатию, сдви­гу и растяжению (о<ж, стсд и аР).

Горные породы характеризуются различной величиной проч­ности на сжатие, растяжение, сдвиг и изгиб. Наибольшой проч­ностью обладают породы на сжатие, наименьшей — на растя­жение. Прочность на изгиб и сдвиг (срез) занимает промежу­точное положение между прочностью пород на сжатие и растя­жение. Предел прочности горных пород при сжатии в 5—35 раз больше, чем при растяжении (табл. 2.1).

Таблица 2.1 Прочностные характеристики горных пород Горные породы Предел прочности, МПа на сжатие на растяжение Базальт 260—400 22—30 Гранит 80—250 7—23 Кварцит 180—260 14—22 Диабаз 240—300 20—25 Мрамор 60—50 5-5 Известняк 46—75 4—8 Песчаник 30—200 4—18 Алевролит 30—120 3—16 Аргиллит 12—80 1—6 Уголь каменный 11—30 0,8—2,5 Уголь бурый 10—15 0,5—1,2 Сланец горючий 12—19 0,8—1,6 Мергель 25-40 2—3,5 Каменная соль 20—38 0,3—4 Глина 3—10 0,2—0,8 Алевролит и аргиллит углистый 5—25 0,3—2

Показатели прочности пород на сжатие и растяжение име­ют первостепенное значение для решения вопросов разрушения и отбойки их от массива в забое выработки, погрузки и транс­портирования горной массы и нормирования горнопроходче­ских работ.

В среднем для горных пород указанные критерии прочности находятся примерно в соотношении сгок'.сгодіар = 1,0:0,3:0,1. Проч­ность горных пород при объемном сжатии в несколько раз вы­ше, чем при одноосном.

Крепость — свойство пород сопротивляться воздействию внешних усилий в процессе разрушения (при бурении, отбойке,

взрывании и пр.). Количественно это свойство оценивается ко­эффициентом крепости /, предложенным проф. М. М. Прото-

ДЬ ЯКОНОВЫМ.

Коэффициент крепости / равен отношению временного со­противления одноосному сжатию к единице крепости. За едини­цу крепости принято временное сопротивление сжатию образцов кубической формы, равное 10 МПа. Следовательно, / = Оо«/10.

По этому критерию М. М. Протодьяконов предложил клас­сификацию, в которой горные породы разделены на 10 катего­рий (табл. 2.2). Пределы изменения коэффициента крепости от 0,3 до 20. К первой категории отнесены породы, имеющие наи­высшую крепость (J = 20), к десятой — наиболее слабые плыву­чие породы (J = 0,3).

Существуют и другие классификации горных пород, учиты­вающие особенности ведения горных работ. Применительно к горностроительным работам предложена классификация пород по СНиП.

Абразивность — способность горных пород изнашивать кон­тактирующие с ней поверхности режущего инструмента и дета­лей горных машин при работе. Абразивность пород оценива­ется средней потерей в массе (в миллиграммах) мерного цилин­дрического стержня при истирании его в определенных усло­виях. По абразивности горные породы разделены на 8 классов.

Твердость — свойство горной породы сопротивляться про­никновению в нее горного инструмента.

Упругость — свойство горной породы возвращаться к пер­воначальной форме и размерам после устранения воздействия на нее внешних сил.

Пластичность — свойство пород изменять свою форму при сохранении объема.

Хрупкость — способность горной породы разрушаться при незначительной пластической деформации.

Разрыхляемость — увеличение объема породы при выемке ее из массива. Оценивается коэффициентом разрыхления:

*p = Kb/Fm,

Таблица 2.2 Классификация горных пород Породы Коэффи- Категория крепости породы по циент крепости шхале проф. М. М. Прото­дьяконо в а строительным нормам и пра­вилам (СНиП) Вязкие кварциты и базальты 2° I XI Крепкий гранит, самые креп­кие песчаники и известняки 15 II X Очень крепкие песчаники и из­вестняки 10 III 1Х Колчедан, крепкий известняк 8 Ша VIII Обыкновенный песчаник, пес­чанистые сланцы 5—6 IV—IVa VIII Крепкий глинистый сланец, не­крепкий песчаник и известняк S-4 V—Va VI—VII Антрацит, мягкий сланец, мяг­кий известняк, мел, каменная соль, гипс, мерзлый грунт, раз­рушенный песчаник 2 VI VI Крепкий каменный уголь, раз­рушенный сланец, отвердевшая глина 1.5 Via VI—V Каменный уголь средней крепо­сти, прочные наносы, плотная глина 1 VII ш Мягкий уголь, мягкая песчаная глина 0,8 Vila и Торф, влажный песок 0,6 VIII I Добытый уголь, песок, насыпной грукг, гравий 0,5 IX I Плывуны 0.3 X I 1

где Гв — объем вынутой породы; Vu — объем породы в массиве (в целике).

Коэффициент разрыхления характеризует увеличение объ­ема породы при разрушении (в процессе проведения вырабо­ток, выемки полезного ископаемого). Коэффициент разрыхле­ния угля составляет 1,2—1,4, осадочных пород (песчаника, алс-

вролита, аргиллита)— 1,4—2,2, магматических и метаморфиче­ских пород— 1,7—2,3.

Буримость горной породы — способность горной породы сопротивляться проникновению в нее бурового инструмента или интенсивность образования в породе шпура или скважины под действием усилий, возникающих при бурении. Показателем служит скорость бурения (мм/мин), иногда — продолжитель­ность бурения 1 м шпура (мин/м). Существует классификация гор­ных пород по буримости.