Прочность и твердость горных пород

Механические свойства горных пород, углей и руд в решающей степени определяют специфику строительства шахт и рудников, раз работки месторождений, горной технологии. В настоящее время горная наука и горное производство располагают обширной информацией о прочностных свойствах пород большинства угольных и рудных месторождений, в том числе месторождений, залегающих на больших глубинах.

Это стало возможным благодаря разработке и широкому внедрению простых и доступных для горных и геологоразведочных целей скоростных методов массовых определений прочностных свойств. Эти методы позволили установить закономерности деформирования и разрушения горных пород, а также выявить ряд факторов, влияющих на механические свойства пород и углей (структурная анизотропия, ослабления по контактам и кливажу, влажность и др.).

Процессы деформирования и разрушения пород, углей и руд многообразны. Крупные разломы и другие геологические нарушения возникают под влиянием региональных тектонических движений в земной коре. Разрушение пород в обнажениях горных выработок происходят вследствие достижения предельных напряжений. Это проявляется и при катастрофических крупномасштабных разрушениях угольных пластов при внезапных выбросах и горных ударах. В процессе отработки угольный пласт разрушают путем сосредоточенного воздействия инструментом угледобывающей машины, горные породы — проходческой машиной или буровзрывным способом.

Явления деформирования и разрушения твердых тел, включая и горные породы, можно разделить на два вида: равномерные (объемные, захватывающие полностью рассматриваемый элемент конструкции), и локальные (сосредоточенные). Оба вида разрушения и деформаций могут быть динамическими, статическими или длительными (рис. 1.1). Для измерений твердости создано и продолжает создаваться множество методов и приборов в самых различных областях науки и техники.

Особенно широко проводят испытания твердости металлов, где действуют стандарты на отдельные методы. Понятие твердость, принятое Комитетом технической терминологии АН России, вытекает из представлений о двух основных условиях деформирования и разрушения твердых тел и, соответственно, двух классах механических свойств (см. рис. 1.1). Согласно твердость — комплексное явление, включающее различные виды реакции веществ разной физической природы на сосредоточенно действующие внешние силы: в одних случаях это пластическая твердость, выражающаяся только в пластических деформациях, в других — твердость разрушения, в третьих — упругая твердость. Одним из существенных вопросов физики и механики твердого тела является изучение закономерностшения или увеличения прочности материалов в зависимости от масштаба. Масштабный эффект наблюдался при вдавливании инденторов в породы и угли, а также при разрушении пород рабочими органами бурильных и других горных машин.

Долгое время существовало мнение, что прочность пород в массиве или в целиках выше прочности образцов пород, которые испытываются в лабораториях. В дальнейшем на основе обобщения и анализа экспериментальных исследований, произведенных с горными породами, углями, минералами и другими веществами, была выдвинута концепция, согласно которой изменение прочности образцов и элементов горного массива определяются не одним, а двумя масштабными эффектами — объемным и поверхностным. Под влиянием первого прочностные свойства с увеличением размеров всегда уменьшаются, а под влиянием поверхностного (технологического) могут как уменьшаться, так и возрастать. Чем больше неоднородность, трещиноватость пород и углей, тем сильнее действует в них эффект уменьшения прочности с увеличением размеров. Особенно сильно он проявляется в области весьма малых размеров. Численные показатели прочности горных пород и углей при растяжении, сжатии и других видах нагружения изменяются при изменении величины образцов. Деформируемость образцов зависит также от условий нагружения и напряженного состояния. Сопротивление разрушению при сжатии уменьшается или возрастает в зависимости от отношения высоты образцов к площади их поперечного сечения, а также контактных Условий с плитами испытательных прессов. При всех видах и условиях разрушения существенную роль играет скорость приложения нагрузки и продолжительность нагружения. В числе прочностных характеристик пород и углей ведущее место занимают пределы прочности при одноосном сжатии и растяжении. От этих характеристик зависят параметры обрушения кровли, отрыва при разрушении пород и углей горными машинами. Разрушение отрывом имеет место при горных ударах и внезапных выбросах угля и газа, при отбойке руды буровзрывным способом. В ИГД им. А.А. Скочинского предложен метод, посредством которого комплексно определяются характеристики прочности горных пород и углей как при растяжении; так и при одноосном сжатии (ГОСТ 21153.4—75). Сущность метода заключается в последовательном выполнении на одних и тех же образцах пород и углей определений:

- предела прочности пород при растяжении по принципу направленного раскалывания плоскопараллельных пластин любых очертаний в плане (в том числе дисков, вырезанных из кернов разведочного бурения);

- предела прочности пород при одноосном сжатии образцов, полученных при раскалывании пластин или дисков.

Правомерность определения прочности пород при растяжении по принципу направленного раскалывания вытекает из решения задачи теории упругости. Из решения Г. Герца следует, что в плоскости приложения сил сжатия в цилиндрическом теле возникают равномерно распределенные напряжения растяжения. Аналогичное напряженное состояние (растяжение) возникает при раскалывании образцов пород, которые имеют плоскопараллельную и иную форму при воздействии линейно распределенной нагрузки. Это осуществляется посредством сжатия образца двумя встречно направленными клиньями с закругленной вершиной или цилиндрическими стержнями небольшого диаметра. Предельное растягивающее напряжение ведет к разрыву образца породы или угля на две части. Разрыв происходит по поверхности, совпадающей или близкой к плоскости действия приложенных сил. Кроме растягивающих, в образцах породы возникают сжимающие напряжения, направленные перпендикулярно к напряжениям растяжения. В области, близкой к контакту испытуемой породы с плитами или клиньями пресса, напряжения сжатия велики. По мере приближения к оси цилиндра (равно как к середине плоскопараллельного образца) напряжения сжатия уменьшаются, достигая в средней части нагружаемого тела некоторого минимума. В приконтактной зоне, где возникает напряженное состояние местного всестороннего сжатия, деформации сочетаются с местным разрушением.

Известны и другие модификации принципа раскалывания, но все они имеют единую физическую основу — всегда возникает отрыв.

Предел прочности горных пород и других материалов при одноосном сжатии определяют большей частью на образцах-цилиндрах, высота которых равна диаметру, или на образцах кубической формы. Это соответствует сложившейся практике массовых испытаний на одноосное сжатие разных материалов, в том числе горных пород. Создаются более широкие возможности детальных испытаний образцов пород из кернов колонкового бурения (ГОСТ 21153.4-75, ГОСТ 22450—77).

Широкие сравнительные испытания скоростного комплексного метода с другими методами испытаний при растяжении и сжатии для разнообразных пород и углей, производившиеся на протяжении нескольких лет в ИГД им. А.А. Скочинского и другими организациями, дали хорошие результаты. Измерения прочности при растяжении посредством направленного раскалывания превзошли по перспективе использования, а также по достоверности результатов (включая определения прочностной анизотропии пород) все другие методы, в том числе методы прямого растяжения. Испытания образцов кубовидной (полуправильной) формы дали величины, близкие к полученным при испытаниях образцов правильной формы. Значительно расширились возможности проведения испытаний небольших проб пород, в том числе извлеченных из геологоразведочных скважин большой глубины. Намного сократилась трудоемкость исследований.

В горных массивах часто содержатся слабые, разбитые трещинами породы.

Непосредственно определить прочность массива горных пород, представленных небольшими обломками, невозможно. Некоторые представления о его прочности можно получить при изучении отношения длины извлеченного керна к пробуренному интервалу. Ho это отдаленный косвенный критерий. Он должен сочетаться с прочностью хотя бы обломков. Испытания прочности обломков можно осуществить лишь двумя путями. Первый основан на измерениях вновь образованной поверхности (зернового состава) разрушенного вещества при измельчении его в стандартизованных условиях, что можно выполнить динамическим или статическим способами. Второй путь — измерение прочности на растяжение изометричных образцов неправильной формы по принципу раскалывания при сжатии посредством плит, клиньев или инденторов (рис. 1.2). Для определения прочности породообразующих минералов в России и за рубежом разработаны различные устройства, в том числе полевые приборы для испытаний пород на образцах неправильной формы. Метод раскалывания образцов произвольной формы с применением встречных сферических инденторов разработан также во ВНИМИ Г.В. Михеевым.

В целях унификации метода в ИГД Им. А.А. Скочинского разработана "Методика определения прочности горных пород на образцах полуправильной формы" (1976 г.), а также ГОСТ 22450-77 на методы определения прочности углей. Метод ИГД им. А.А. Скочинского включен в систему стандартов для определения механических свойств горных пород (ГОСТ 21153.4-75). В результате использования метода установлено, что крайние значения прочности пород расходятся в тысячу и более раз. К числу весьма крепких относятся плотные железистые кварциты, роговики, некоторые скарны, эгириновые породы.

Численные характеристики прочности при одноосном сжатии вмещающих пород угольных месторождений находятся в интервале от десятых долей МПа до 300 МПа. В центральных районах Донбасса средние значения пределов прочности при сжатии вмещающих пород составили в основном для аргиллитов 7 — 80 МПа, алевролитов 20—160, а для песчаников 30—200 МПа. Во вскрышной толще пород Канско-Ачинского бассейна встречаются слабые песчаники, предел прочности которых при сжатии менее 0,1 МПа.

В различных районах и на разных глубинах Кузнецкого бассейна залегают породы, пределы прочности которых изменяются в десятки раз. В Печорском бассейне породы Воркутинского района превосходят по прочности породы Интинского района в 2—3 раза.

Широк диапазон прочности пород и в угольных разрезах. Во вскрыше многих из них содержатся линзы конкреций и прослои пород, механические свойства которых, как следует из работ НИИОГР, намного превосходят основную массу углевмещающих пород.

Наличие крепких включений имеет на угольных разрезах существенное значение, так как от их механических свойств, распространения и размеров зависят многие технические решения, часто возникает необходимость предварительного рыхления, а это определяет возможность применения поточной технологии и высокопроизводительного оборудования. В Канско-Ачинском бассейне включения крепких пород превышают по прочности породы основной толщи в 15—20 раз, в Кузбассе — в 1,5—2 раза, в Минусинском бассейне — в 3—4 раза. Удельный расход взрывчатых веществ в зависимости от прочности пород для различных разрезов составляет 0,05—0,85 кг/м3.

Использование комплексного метода и принципа направленного раскалывания позволило получить количественные характеристики прочностной анизотропии вмещающих пород и углей. Средние значения прочности ряда углей Кузбасса и Донбасса при растяжении по поверхностям, параллельным слоистости и основной прирожденной трещиноватости, оказались в 2—4 и более раз меньшими по сравнению с отрывом по поверхностям, перпендикулярным к плоскостям основной трещиноватости и слоистости. В Кузбассе прочность слоистых пород на растяжение при раскалывании по поверхностям распространения трещин в 12—30 раз, а по поверхностям наслоения в 3—15 раз меньше по сравнению с породами массивной текстуры. Комплексные исследования пород, включавшие определения твердости в сочетании с изучением прочности, пластичности и хрупкости, упругих характеристик, а также минералогопетрографические исследования первоначально проводились методом вдавливания цилиндрического штампа с плоским основанием в плоскую поверхность образцов, предложенным Л.A. Шрейнером для количественной оценки сопротивляемости пород разрушению при бурении на месторождениях нефти и газа. Этот метод нашел применение в некоторых районах Донбасса для испытаний углевмещающих пород. В последние годы в угольной промышленности получил распространение простой способ определения контактной прочности, предложенный Л.Б. Глатманом и Л.И. Бароном. Он отличается тем, что штамп с плоским основанием вдавливают в необработанную (естественную) поверхность образцов пород. Оба метода дают хорошие результаты при определениях твердости большинства пород, но только тогда, когда при вдавливании штампа образуются лунки выкола (хрупкое разрушение). В некоторых пластичных породах лунки выкола не возникают, поэтому удается зафиксировать лишь пределы текучести. Для количественной оценки твердости пород, обладающих пластичностью при вдавливании, сопоставимые результаты могут быть получены измерением пластической твердости, посредством вдавливания выпуклых инденторов (например, сферической формы). На многих породах, занимающих среднее положение, можно измерять как твердость при хрупком контактном разрушении, так и пластическую твердость. Для измерений твердости углей и пород в массиве разработаны конструкции молотков, действующих по принципу упругого отскока. Успешно применяются для прогнозирования вибросоопасности угольных пластов портативные приборы, основанные на динамическом вдавливании инденторов (Г.Н. Фейт). На протяжении нескольких десятилетий на шахтах и рудниках всех отраслей горнодобывающей промышленности в целях нормирования производят оценку "буримости" пород бурильными машинами производственного назначения. Испытания выполняют в различных технологических режимах. К нормализованным условиям полученные результаты приводят, пользуясь поправочными коэффициентами. Поскольку техника и технология производственного бурения постоянно меняются и прогрессируют, трудно достичь твердых стабилизированных характеристик механических свойств пород. Применение разнообразных машин производственного назначения приводит к несоответствию между принятыми на шахтах и рудниках коэффициентами крепости и действительными прочностными свойствами пород.

Важной положительной стороной метрологических методов разрушения в массиве, моделирующих бурение, являются большой объем и большая поверхность раздробленной породы. Это обеспечивает значительно большую представительность результатов измерений, возрастают глубина и объем исследований массива, а условия разрушения породы приближаются к реальным условиям всестороннего сжатия, возникающему в массиве. Примером метрологического устройства может быть динамометрическое сверло СДМ-1 конструкции ИГД им. А.А. Скочинского, предназначенное для оценки сопротивляемости угля резанию.

Для изучения механических свойств минералов, слагающих горные породы, а также небольшой величины зерен обычные способы измерений прочности непригодны. Поэтому изучение механических свойств минералов развивалось главным образом в направлении оценки их твердости. Наиболее известна десятибальная шкала Мооса, основанная на взаимном царапании минералов. Изучение твердости позволило вскрыть глубокие связи между средой, условиями образования и вещественным составом породообразующих минералов, слагающих породы и руды.

Твердость кристаллов представляет направленное свойство, что доказано многочисленным микрорезанием с применением так называемых склерометров. В ИГД им. А.А. Скочинского методом упругого отскока установлена различная динамическая твердость разных граней кварца, гипса и других кристаллов.

Изучение ингредиентов углей показало существенные различия в твердости основной цементирующей массы антрацитов, витринита и фюзинита. Для различных проб углей из ряда угольных пластов значение их микротвердости составляют 370—1550 МПа. С целью количественной оценки "микропрочности" на базе исследований кальцита, кварца, природного корунда, а также искусственных минералов разработан метод раздавливания, которым было выявлено сильное проявление масштабного эффекта, особенно в области малых размеров (от 0,5 до 0,09 мм). Так, для кварца сопротивление раскалыванию возросло с 60—70 до 600 МПа при уменьшении линейных размеров в пределах 1,2—0,09 мм. Разработанный метод был успешно применен для испытаний прочности синтетических алмазов и оценки их качества при сортировке.

Ученым и практикам известно отрицательное действие воды на устойчивость горных выработок в слабых горных породах и на пучение пород. Искусственное воздействие воды и химических реагентов на породы порой применяют на шахтах для повышения эффективности разработки угольных пластов с труднообрушаемыми кровлями. Большое значение имеет, как известно, увлажнение угольного массива для предупреждения внезапных выбросов угля и горных ударов. Атмосферные осадки в значительной мере определяют устойчивость, деформации и разрушение бортов угольных разрезов и рудных карьеров.

Несмотря на большое практическое значение, механизм воздействия воды на массив в различных горногеологических условиях изучен недостаточно. В этой связи необходимо исследовать влияние воды на породы и угли не традиционным путем (по коэффициентам размокания при одноосном сжатии), а в различных напряженных состояниях, в том числе при длительном нагружении и динамическом действии внешних сил. Экспериментальные исследования осадочных, метаморфических и магматических пород показали, что в статических условиях нагружения характеристики прочности преобладающего большинства пород, включая породы повышенной плотности и крепости, под действием воды в большей или меньшей степени уменьшаются. Для одних пород прочность снижается в 1,5—6 раза (иногда до полной потери связности), для других — только на несколько процентов. Аналогично изменяется при пропитке водой и твердость пород при статическом вдавливании. С уменьшением прочности и твердости сильнее проявляются пластические свойства пород, уменьшаются статические модули упругости.

В динамических условиях нагружения наблюдаются противоположные изменения (работы Е.С, Ватолина, М.П. Воларовича). Экспериментально установлено, что одновременное воздействие механических напряжений и адсорбции воды, проникающей в трещины и поры, ведет к значительному (в несколько раз) возрастанию упругих, остаточных и длительных деформаций пород (рис. 1.3). В числе углевмещающих пород имеются разновидности аргиллитов и алевролитов, которые сильно размокают, почти полностью теряют связность или расслаиваются в воде, хотя предел их прочности при одноосном сжатии, перпендикулярном к слоистости, в воздушно-сухом состоянии достигает иногда 40—60 МПа. В то же время некоторые известняки, обладающие гораздо меньшей прочностью (около 6—10 МПа), обладают сравнительно высокой гидростойкостью.

Степень изменения механических свойств пород под влиянием воды зависит от многих факторов:

- пористости (содержания и формы пор различной величины);

- текстурно-структурных особенностей самих пород (прежде всего от анизотропии, слоистости и развития ослаблении по контактам), а также от их трещиноватости;

- вещественного (в основном минерального) состава, в значительной мере от содержания в породе гидрофильных, прежде всего глинистых минералов, сильно реагирующих на увлажнение, тонкодисперсного углистого вещества;

- от продолжительности, условий и глубины насыщения.

Кинетика водного ослабления тесно связана с кинетикой насыщения пород водой. С изложенным согласуются результаты опытов, показавшие набухание пород при увлажнении и обратное их уплотнение при обезвоживании не только слабых пористых, но и существенно плотных монолитных пород. Линейные размеры образцов различных пород возрастали при набухании в воде на 0,010—0,012 %. Набухание и обратное уплотнение пород могут вызывать дополнительные напряжения в массиве.

Экспериментальными исследованиями установлено увеличение ударной прочности и ударной твердости некоторых пород при насыщении водой. Это явление не согласуется с представлением только о расклинивающем и ослабляющем действии адсорбционных слоев воды и растворенных в ней, преимущественно поверхностно-активных веществ (эффект Дерягина—Ребиндера). Правомерность данного явления подтверждают результаты измерений динамической прочности (энергетических характеристик дробимости) углей в насыщенном водой состоянии, которые проведены в институтах ВостНИИ (О.И. Чернов), ВНИМИ (И.М. Петухов, А.Г. Акиньшин и др.), лаборатории внезапных выбросов ИГД им. А.А. Скочинского (Б.М. Иванов, Г.Н. Фейт, А.А. Борисенко) и УкрНИИпроекте (Н.И. Кунаев, Д.В. Панченко).

Таким образом, при статическом деформировании и разрушении пород и углей всегда преобладает эффект ослабления внутренних связей, а при динамическом нагружении в зависимости от вещественного состава, структуры, физико-химических свойств пород, а также условий действия внешних сил в одних случаях преобладает эффект гидроослабления, в других, наоборот, гидроупрочнения.