Лекція 1. Вступ

Руйнування гірської породи – це основний процес гірничого виробництва. Руйнування здійснюється при відокремленні гірської породи від масиву механічними або будь-якими іншими способами - при бурінні гірської породи, підриванні, дробленні та подрібненні. Руйнування гірської породи може оцінюватися відповідною роботою, що витрачається на їх руйнування. Загальна величина роботи руйнування визначається фізичними, механічними властивостями порід, а також залежить від обладнання, що вибирається на основі цих властивостей. Загальна робота руйнування породи складається з наступних складових – роботи A₁, що йде безпосередньо на створення руйнуючих напружень; роботи A₂, що пов’язана з конструктивними особливостями робочого механізму; роботи A₃, що визначається різними властивостями породи: A = A₁+A₂+A₃.

- можливі також їх комбінації.

Властивості гп, які впливають на ефективність руйн.

Твердість — властивість матеріалу опиратися проникненню до нього іншого, більш твердого тіла.

Найтвердішим із існуючих сьогодні матеріалів є ультратвердий фулерит (приблизно в 1,17—1,52 разів твердіший за алмаз. Однак це матеріал доступний лише у мікроскопічних кількостях. Найтвердішим з поширених речовин є алмаз (10 одиниць за шкалою Мооса).

Шкалá Мóоса (мінералогічна шкала твердості) — набір еталонних мінералів для визначення відносної твердості методом надряпування. Як еталони прийнято 10 мінералів, розташованих в порядку зростання твердості.

Запропонована у 1811 році німецьким мінералогом Фрідріхом Моосом.                     

 

Твердість	Мінерал	Абсолютна твердість
1	Тальк (Mg3Si4O10(OH)2)	1
2	Гіпс (CaSO4·2H2O)	3
3	Кальцит (CaCO3)	9
4	Флюорит (CaF2)	21
5	Апатит (Ca5(PO4)3(OH-,Cl-,F-))	48
6	Польовий шпат (KAlSi3O8)	72
7	Кварц (SiO2)	100
8	Топаз (Al2SiO4(OH-,F-)2)	200
9	Корунд (Al2O3)	400
10	Алмаз (C)	1500

 

Була запропонована також альтернативна таблиця визначення твердості мінералів, значення твердості згідно якої можуть коливатись між двома рівнями. Дана таблиця наведена нижче:

Твердість	речовина чи мінерал
1	Рідина
2	Гіпс
від 2.5 дo 3	Золото, Срібло
3	Кальцит, Мідь монета
4	Флюорит
від 4 до 4.5	Платина
від 4 до 5	Залізо
5	Апатит
6	Ортоклаз
6,5	Заліза пірит
від 6 дo 7	Скло
7	Кварц
7 та вище	Гартована сталь
8	Топаз
9	Корунд
10	Гранат
11	Сплавлений цирконій
12	Сплавлений глинозем
13	Силікон карбід
14	Карбід бору
15	Алмаз

               

Акустичні властивості гірської породи (рос. акустические свойства горной породы, англ. acoustic properties of rock, нім. akustische Eigenschaften von Gesteinen) — властивості, що характеризують проходження через породу пружних коливань: інфразвукових, звукових та ультразвукових хвиль.

Акустичні властивості гірської породи використовують при сейсморозвідці, акустичному каротажі, а також при контролі стану очисних і підготовчих вибоїв, прогнозуванні динамічних явищ у масивах гірських порід.

АКУСТИЧНА ЖОРСТКІСТЬ ГІРСЬКИХ ПОРІД (рос. акустическая жесткость горных пород, англ. acoustic stiffness of rock, нім. Schallhärte der Gesteine) — властивість породи передавати звукові коливання. Залежить від структурних особливостей гірських порід та їх мінерального складу. Визначається як добуток густини гірської породи на швидкість розповсюдження в ній поздовжніх пружних хвиль. [кг/м2·с].

Література

Мала гірнича енциклопедія: В 3-х т. / За ред. В. С. Білецького. — Донецьк: Донбас, 2004. ISBN 966-7804-14-3

Густина́, Питома маса — маса тіла одиничного об'єму (1 м³) характеризує кожну речовину. Визначається як відношення маси речовини m до займаного ним об'єму V. Таким чином, густина

ρ = m / V.

Густина вимірюється в кг/м³ в системі СІ.

Як правило, в разі зменшення температури густина збільшується, але є речовини, чия густина в певних термпературних діапазонах веде себе інакше, наприклад, вода і чавун.

В разі зміни агрегатного стану густина змінюється стрибкоподібно.

Найбільшу густину у Всесвіті мають чорні діри (ρ ≈ 1014 кг/м³) і нейтронні зорі (ρ ≈ 1011 кг/м³). Найнижчу густину має міжгалактичне середовище (ρ ≈ 10-33 кг/м³).

В астрономії більше значення має середня густина небесних тіл, за нею можна приблизно визначити склад цього тіла.

 

Пласти́чність — властивість при змішуванні з водою створювати тісто, яке під впливом зовнішніх дій може набувати будь-якої необхідної форми без появи тріщин та зберігати надану йому форму після припинення цих дій під час сушіння та випалювання.

Література

Наказ «Про затвердження Інструкції із застосування Класифікації запасів і ресурсів корисних копалин державного фонду надр до родовищ глинистих порід» 17 грудня 2004.

Примітки

 ГОСТ 21216.0-12-93 Сырье глинистое. Методы анализа

Крихкість гірських порід (рос. хрупкость горных пород, нім. fragility of rocks, rock fragility, rock brittleness; нім. Sprödigkeit f der Gesteine n pl, Brüchigkeit f der Gesteine n pl) – властивість гірських порід (г.п.) порівняно легко рватися, ламатися або руйнуватися при статичному навантаженні без помітної залишкової деформації (не більше за 5% від величини деформацій руйнування).

Абс. більшість г.п. належить до крихких матеріалів. Для г.п. межа текучості дорівнює або наближається до межі міцності. К. визначається мінеральним складом г.п., структурно-текстурними характеристиками і зовніш. умовами руйнування: т-рою, швидкістю прикладення навантаження, його видом (розтягнення, стиск, зсув).

Явище крихкого руйнування має місце при раптових викидах вугілля та гірських порід, а також при гірничих ударах у підземних виробках. Вважається, що тільки гірські породи, які схильні до крихкого руйнування, здатні до раптових викидів та гірничих ударів.

Змочуваність (рос. смачиваемость, англ. wettability; нім. Anfeuchtbarkeit, Benetzbarkeit) –

 

1) Властивість рідини взаємодіяти з твердою поверхнею; визначається кутом змочування Θ в системі трьох фаз (твердої, рідкої і газової); коли Θ>90^o, рідина не розливається по поверхні твердого тіла або практично не змочує його.

2) Поверхневе явище, що виникає на межі дотику фаз, одна з яких - тверде тіло, а інші – несумісні рідини або рідина та газ, і проявляється в частковому або повному розтіканні рідини по твердій поверхні, просочуванні пористих тіл та порошків.

Більшість гірських порід є гідрофільними (добре змочуваними) водою, частково або повністю незмочувані (гідрофобні) - сірка, вугілля, бітумінозні пісковики тощо. Змочуваність гірських порід зростає при наявності в них розчинних солей, глинистих мінералів, особливо монтморилоніту, а також зі збільшенням “кутастості” зерен гірських порід. В гірничій справі З. відіграє велику роль не тільки при збагаченні руд і мінералів (флотації, класифікації, масляній аґломерації), але і в процесах підземного вилуговування, гідрометалургійної переробки руд, руйнуванні гірських порід.

Водовбирання (рос. водопоглощение, англ. water-absorbtion; н. Wasseraufnahmevermögen n) – здатність матеріалів, зокрема гірських порід вбирати воду під час занурення в неї в звичайних умовах, тобто при тиску в 10 Па та температурі 200С. В. визначається відсотковим відношенням маси поглинутої води до маси сухої (висушеної при 105..1100С) породи.

 

 

Гірничотехні́чні власти́вості гірськи́х порі́д (рос.горнотехнологические свойства горных пород, англ. mining-technological properties of rock, нім. bergbautechnologische Gesteinseingeschaften f pl) — властивості, що характеризують гірські породи як об'єкти розробки при застосуванні процесів гірничої технології.

Розрізняють гірничотехнологічні характеристики порід в масиві та порід, що відокремлені від масиву.

Перші включають:

характеристики опірності руйнуванню:

а). механічному;

б). вибуховому;

в). гідравлічному;

г). термічному і т. д.

інші гірничотехнологічні характеристики:

• абразивність у моноліті;
• коефіцієнти тертя пари «моноліт-інструмент»;
• динамічна контактна пластичність;
• опірність приповерхневому зсуву пластичних порід;
• коефіцієнт крихкості та ін.

Гірничотехнічні властивості порід, що відокремлені від масиву :

• грудкуватість;
• абразивність;
• коефіцієнти зовнішнього тертя;
• кути природного укосу та коефіцієнти сипучості;
• коефіцієнт розпушення;
• характеристики злежуваності.

Електри́чні власти́вості гірськи́х порі́д (рос.'электрические свойства горных пород, англ. electric properties of rocks; нім. elektrische Gesteinseigenschaften f pl) — властивості, які визначаються електричним опором гірських порід або їх електропровідністю (що є зворотною електроопору), а також діелектричною проникністю.

Гірські породи (Г.п.) здебільшого є напівпровідниками, частина їх — діелектрики.

На електричні властивості гірських порід впливає вологість, вміст солей, мінеральних домішок, орієнтація вимірювань (вздовж чи впоперек шару), температура порід, частотні характеристики електричного поля, структура мінералів тощо.

Наявність прожилок рудних матеріалів суттєво підвищує електропровідність г.п. Домішки часто дають той же ефект.

Цементація, навпаки, знижує електропровідність, оскільки цементуючими речовинами є речовини з великим опором — кварц, ґіпс, кальцит та ін.

Метаморфізм вугілля підвищує їх електропровідність, причому особливо різко при вмісті вуглецю понад 87 %.

Із збільшенням зольності електричний опір вугілля (при відсутності піриту) зростає. Вивітрювання та пористість також спричиняють зростання електроопору г.п. Причому електричний опір деяких г.п. (пісковиків, вапняків, доломітів і т. д.) суттєво залежить від форми пор.

 

Зволоження та водонасичення порід може змінити їх електричний опір на декілька порядків, викликає збільшення діелектричної проникності г.п. При цьому особливо сильні зміни електропровідності спостерігаються на початку зволоження і для г.п., які в сухому стані мають високий питомий електричний опір.

Електропровідність пластових вод залежить від їх мінералізації.

Електропровідність нафт порівняно низька, тому нафтонасичені породи менш електропровідні (вирішальним у цьому випадку є мінеральний скелет г.п.).

З підвищенням температури електропровідність та діелектрична проникність г.п. зростає, що відповідає законам квантової теорії.

Причому це зростання найбільше для гірських порід з малою початковою електропровідністю. У деяких напівпровідникових мінералів з високою електропровідністю вона практично не залежить від температури (піротин). Крива (Т) інколи може мати екстремум-максимум. Електричний опір вугілля при його нагріванні до 100 °C різко падає, а потім до 200 °C — збільшується. Наступний нагрів до 800 °C характеризується найбільшим лінійним зниженням електроопору.

Електропровідність замерзлих порід, особливо пухких та тріщинуватих зменшується, причому різко після переходу в область нижче 0 °C, що, очевидно, пов'язано з більшим, ніж у води, електроопором льоду.

Газонасиченість гірських порід (рос.газонасыщенность горных пород; англ. gas storage capacity of rocks; нім. Gesteingaskapazität f) – ступінь заповнення порожнин (пор, каверн і тріщин) в гірських породах природними газами. Чисельно оцінюється коефіцієнтом газонасиченості k_г, що дорівнює відношенню об’єму газу природного, який заповнює породу, до об’єму відкритих пор і порожнин у породі.

Г. зумовлена сорбційною властивістю мінералів, які складають породу, пористістю і тріщинуватістю гірських порід, тиском газів.

Анізотропі́я (рос. анизотропия; англ. anisotropy; нім. Anisotropie) –

1) Залежність фізичної величини від напрямку (здебільш кристалографічного), в якому вона вимірюється. Ця властивість характерна для показника заломлення світла, діелектричної сталої, теплопровідності, магнітних властивостей кристалів, проникності порід і т.п.; проявляється в кристалах низької симетрії та рідких кристалах.

2) Залежність фізичних властивостей гірських порід від напряму їх вимірювання. Характерна для шаруватих г.п. при визначенні властивостей (проникності, тріщинуватості тощо) по нашаруванню і перпендикулярно до нього.

3) Неоднаковість деяких (напр., проникності) властивостей речовини або тіла в різних напрямах.

Гігроскопічність (рос.гигроскопичность, англ. hygroscopicity (of rock), нім. Hygroskopizität f (der Gesteine) - 

1) Здатність кристалічних та аморфних тіл легко поглинати вологу з повітря, зволожуючись або розтікаючись при цьому.

2) Г. вибухових речовин - здатність гідрофільних ВР поглинати пари води за рахунок хімічної чи фізичної адсорбції.

3) Г. гірських порід - здатність речовин вбирати вологу з повітря. Розрізняють неповну і максимальну Г. Неповна Г. характеризується кількістю вологи, яка поглинається гірською породою при даній відносній вологості повітря; макс. - найбільшою к-стю вологи, що поглинається гірською породою з повітря при повному його насиченні водяними парами.

Сильно гігроскопічні торф, буре вугілля, крейда, мергель, лес, глина, кам’яна сіль, карналіт.

Слабка гігроскопічність у скельних метаморфічних і магматичних порід, щільного кам'яного вугілля, бітумінозних пісковиків.

Тріщинуватість масивів (блоковість)

Тріщини – розриви суцільної породи без візуального зміщення, розміри яких по простяганню та падінню на декілька порядків більше їх потужності (розкривання).

Масиви облицювальних гірських порід характеризуються розривами трьох порядків:

- внутрішньокристалічні розриви, величина яких менше 10 ^-4 мм;

- тріщини між кристалами з їх розкриттям до 0,1  мм;

- тектонічні і ендогенні тріщини, що мають велику протяжність і розкриття в інтервалі   10^-4 і  10^-1 м.

Саме тріщини третього порядку формують природну блоковість масиву і роблять вплив на вибір системи розробки і її параметрів.

Тріщини діляться на системні, позасистемні і постільні (нашарування).

Системні тріщини мають близьку просторову орієнтацію і внаслідок цього приблизно  паралельні один одному.

Позасистемні тріщини - тріщини розвитку в масиві, що зафіксовані при взятті вимірів,  але не увійшли до систем.

Постільні (тріщини нашарування) є також системними, але розвинені в горизонтальній і слабопохилих площинах. Кожна тріщина характеризується своїми параметрами, з яких основними є елементи її залягання: азимут простягання, азимут падіння і  кут падіння.

Тріщинуватість масиву - сукупність розвинених в масиві системних,  позасистемних і постільних тріщин.

На практиці найчастіше використовується генетична класифікація Р. Болка, заснована на класифікаційних ознаках Р. Клооса, згідно якої тріщини підрозділяються на подовжні S, поперечні  Q,  діагональні D і первинно-пластові  L.

Ця класифікація найбільш прийнятна для масивів вивержених гірських порід. Тріщини перерахованих класів утворилися у процесі становлення масиву (гранітизації) шляхом постійної виплавки матеріалу  і зменшення об'єму при кристалізації.

Подовжні тріщини S - це ті, які розвиваються уздовж витянутості кристалів плагіоклаза, тобто паралельно структурам витікання магми в період її гранітизації.

Поперечні тріщини Q - ті, які мають поперечний напрям до подовжніх приблизно під прямим кутом.

Пологі тріщини окремості L (пластові) - ті тріщини, які сприяють відриву каменя від масиву в горизонтальній площині.

Діагональні тріщини D - представляють крутоспадні тріщини, розвинені азимутально між системами подовжніх і поперечних тріщин.

Рис.   Модель   трещинуватого   масиву   по   Р. Болку.   Площини   тріщин окремості (S - повздовжні, Q - поперечні, L - пологі, D - діагональні)

Вивчення тріщинуватості складає основу оцінки блоковості родовища (ділянки, покладу). Природні структурні блоки є об'ємними елементами структури масиву, тріщини-площинні, причому системні тріщини є впорядковані, а позасистемні - неврегульовані елементи структури масиву.

Під блоковістю слід розуміти теоретично можливий вихід блоків   каменя,   що відповідає  вимогам  промисловості,   із масиву.

Дослідженнями встановлено, що теоретичний вихід блоків (блоковість теоретична) цілком і повністю залежить від природної тріщинуватості, і першочергово від таких її показників, як неортогональність систем тріщин, відстаней між ними, кутів падіння тріщин та ін..

літ.: Бакка Н.Т., Ильченко И.В. Облицовочный камень. Геолого-промышленная оценка месторождений: Справочник. – М.: Недра, 1992. – 303 с.: ил.

Класифікація гп

За походженням розрізняють:

магматичні, або вивержені гірські породи,

метаморфічні гірські породи,

осадові гірські породи.

Магматичні гірські породи за вмістом кремнезему (SiO2) умовно ділять на кислі (понад 65 %), середні (65-52 %), основні (52-40 %) та ультраосновні (менше 40 %). Магматичні й метаморфічні гірські породи становлять близько 90 % обсягу земної кори; осадові — 75 % площі земної поверхні.

Магматичні гірські породи поділяються на дві підгрупи: глибинні (інтрузивні), що застигли в глибині під високим тиском (див. граніти), і виливні (ефузивні, вулканічні), наприклад лави.

Осадові гірські породи виникли внаслідок відкладення (механічного, хімічного, органічного) з води та повітря продуктів руйнування магматичних і метаморфізованих порід, решток живих організмів тощо. Осадові гірські породи утворюються головним чином внаслідок:

перенесення і відкладання продуктів руйнування вивержених та інших порід, відкладів рослинних та тваринних організмів,

хімічних відкладів.

 

Метаморфічні гірські породи виникли внаслідок перетворення магматичних або осадових порід під дією високого тиску, температури та гарячих газоводних розчинів. Приклад — мармур).

За іншими показниками

В залежності від характеру зв'язків окремих зерен розрізняють такі типи гірських порід:

пухкі (роздільно-зернисті) — механічні суміші різних мінералів або зерен одного мінералу, не пов'язаних між собою, напр., пісок, гравій, галька;

зв'язні (глинисті) — гірські породи з водно-колоїдними зв'язками часток між собою, напр., глини, суглинки, боксити; їх особливість — висока пластичність при насиченні водою;

тверді (скельні та напівскельні) — з жорсткими та пружними зв'язками, що мають фізико-хімічну природу, напр., пісковики, граніти, діабази, ґнейси.

Як об'єкт гірничих розробок гірські породи поділяють на скельні, напівскельні, щільні, м'які, сипучі, зруйновані.

За структурою гірські породи поділяють на кристалічні, приховано-кристалічні, склуваті, порфірові, уламкові.

За текстурою — масивні, пористі, шаруваті.