Горно-технические характеристики.

К горно-техническим характеристикам относятся: крепость, абразивность, буримость, взрываемость, дробимость, твердость горных пород и другие. Они определяют сопротивляемость пород при различных способах разрушения, отделения части породы от массива, а также взаимодействие породы и породоразрушающего инструмента. Они связаны с изученными ранее свойствами: плотностными, прочностными и деформационными, но более конкретно характеризуют сопротивляемость пород при определенных технологических операциях.

Понятие «крепость» ввел проф. М.М. Протодьяконов. Это показатель, который характеризует не сопротивляемость конкретному виду нагружения, а усредненный, обобщенный показатель сопротивляемости разрушению различными машинами, механизмами, технологическими процессами. Мерой крепости является коэффициент крепости f. Протодьяконов предложил несколько способов его определения.

Рассмотреть два способа определения коэффициента крепости f. Первый способ - по

величине предела прочности породы на одноосное сжатие. В этом случае:

, (11)

где σ_сж выражается в Па, а знаменатель также в Па.

Второй способ - определение коэффициента f методом толчения. Находит применение для средних пород. Используется прибор ПОК - прибор для определения крепости. Включает направляющую трубу, стакан в ее нижней части, гирю 2,4 кг, сито с ячейкой 0,5 мм и объемомер (цилиндр диаметром 23 мм с делениями). Эксперименты проводятся следующим образом.

Берется 20 - 25 навесок по 40 -60 г из мелких кусочков 20 -30 мм. Разбиваются на группы по 5 штук. Каждая навеска подвергается дроблению в стакане последовательными сбрасываниями гири с высоты 600 мм. Дробленая порода от пяти навесок просеивается и фракция размером менее 0,5 мм ссыпается в объемомер. Определяется высота продуктов дробления и рассчитывается коэффициент крепости по формуле:

, (12)

где n - число ударов по одной навеске; h - высота пыли в объемомере, мм.

Число сбрасываний 2 - 30 необходимо подбирать таким образом, чтобы высота столбика пыли от пяти навесок была не менее 20 мм.

При изучении абразивности обратить внимание на операции, при которых проявляется абразивный износ, на оборудование и инструмент, подверженный этому износу. Сюда относится: бурение, погрузка, транспортировка пород. Изнашиваемые материалы: коронки, бурильные трубы и штанги, ковши и зубья ковшей экскаваторов, вагонетки и кузова самосвалов. Все это необходимо учитывать на стадии проектирования.

При определении абразивности методом истирания стержней из стали - серебрянки помнить, что испытания проводятся со сплошным и полым торцами для усреднения результатов. Эксперименты показали, что в одних породах интенсивнее изнашивается сплошной, а в других - полый торец. Поэтому с каждым стержнем производят так называемый парный опыт, и показатель абразивности определяют по формуле:

(13)

Ознакомиться с классификацией горных пород по абразивности. Запомнить, что наибольшей абразивностью обладают крупнозернистые кварц и корундосодержащие породы.

При рассмотрении буримости уяснить, что сопротивляемость разрушению бурением является результирующим выражением комплекса свойств: прочности, твердости, упругости, пластичности. Иметь в виду, что буримость пород проявляется для каждого конкретного способа бурения. Одни породы легко разрушаются ударом, другие - резанием, а третьи - термическим способом.

Буримость характеризуется временем чистого бурения одного погонного метра шпура или скважины. Ознакомиться с инструкцией о порядке определения категории по буримости. В настоящее время в геологии широко используются классификация пород по буримости для перфораторного бурения шпуров(20 категорий) и классификация по буримости для разведочного бурения скважин(12 категорий). Иметь в виду, что скорость бурения зависит как от сопротивляемости породы, так и от параметров режима бурения. Поэтому определение категории по буримости производится при стандартных условиях, а при их отклонении от установленных значений вводятся поправочные коэффициенты: на диаметр коронок, на давление сжатого воздуха, на угол наклона шпуров.

Взрываемость горных пород характеризует их сопротивляемость разрушению взрывом. Показателем взрываемости принимается удельный расход ВВ – количество стандартного взрывчатого вещества, необходимого для дробления 1м³ породы до кусков определенного размера, или для образования воронки нормального выброса. Иметь в виду, что расход ВВ зависит от расположения заряда. Наружный или накладной заряд, расположенный на поверхности породы, при взрывании образует небольшую воронку, т.е. с точки зрения разрушения породы он неэффективен. Основная доля энергии взрыва расходуется на воздушную взрывную волну.

При различной степени заглубления заряда при взрыве порода дробится и либо выбрасывается из воронки (заряды выброса), либо только разрыхляется (заряды рыхления). В случае использования зарядов рыхления получается минимальный расход ВВ, который составляет примерно одну треть от зарядов выброса. Наиболее трудные условия взрывания при проходке горных выработок, когда имеется всего одна свободная поверхность ограниченных размеров.

Определение удельного расхода производится либо в карьерах при отбойке породы групповыми зарядами стандартного ВВ – аммонита 6ЖВ, либо по величине заряда, необходимого для образования воронки нормального выброса. Для этого на свободной поверхности под углом 45⁰ бурят шпур глубиной 1м и диаметром 40 мм. Затем несколькими последовательными взрывами определяют заряд, при котором получается воронка нормального выброса. Определяют объем этой воронки и высчитывают удельный расход ВВ.

Ознакомиться с методикой определения дробимости и классификацией пород по дробимости.

Ознакомиться с понятием «твердость». Это свойство горных пород сопротивляться внедрению других твердых тел. Испытания твердости производятся путем вдавливания индентеров, штампов, пуансонов. Схемы аналогичны применяемым в металлообрабатывающей промышленности, где твердость по Бринеллю, Роквеллу и Виккерсу определяется путем вдавливания в поверхность металлов шарика, конуса или алмазной пирамидки.

Изучить методику Л.А. Шрейнера и Л.И. Барона определения твердости по штампу P_шт и контактной прочности Н_к. Обратить внимание на основное различие двух методик: в первом случае плоский штамп вдавливается обработанную, отшлифованную поверхность породы, а во втором случае – в нешлифованную поверхность. Между этими двумя показателями установлена корреляционная зависимость:

(14)

При изучении методики Шрейнера иметь в виду, что используемая установка УМГП-3 позволяет в процессе эксперимента не только определить нагрузку разрушения, но и получить запись диаграммы нагрузка-деформация (см. рис. 1).

По этой диаграмме можно определить коэффициент пластичности К_пл. Он равен отношению общей работы разрушения, пропорциональной площади фигуры ОАСД, к работе упругих деформаций (пропорциональной площади ОАВ). Таким образом,

(15)

Как следует из рис.1 и формулы (15) коэффициент пластичности всегда больше 1. Породы, у которых К_пл близок к единице, носят название упруго-хрупкие или хрупкие, а породы с коэффициентом пластичности~1,5-5 относятся к группе упруго-пластичных.

Рис. 1. Вид диаграммы, получаемой при определении

твёрдости на установке УМГП-3.

Контрольные вопросы.

1. В каких пределах изменяется коэффициент крепости f?
2. Описать порядок определения коэффициента крепости методом толчения.
3. Описать методику определения категории пород по буримости.
4. Что такое абразивность? При каких процессах горного производства она проявляется?
5. Что называется крепостью и твердостью горных пород?
6. На какие группы подразделяются горные породы по величине коэффициента пластичности?
7. Что такое хрупкость и пластичность?

Тепловые свойства.

При изучении теплоемкости обратить внимание на существование удельной теплоемкости при постоянном объеме c_v и при постоянном давлении c_p. Так как во втором случае поглощаемое тепло расходуется не только на нагревание породы но и на внешнюю работу, связанную с тепловым расширением, то c_p>c_v.

Ознакомиться с калориметрическим способом определения удельной теплоемкости. Образец породы массой m нагретый до температуры T₂ помещают в сосуд калориметра с дистиллированной водой при температуре T₀. Через некоторое время температура породы и воды выравнивается и станет равной T₁. Удельную теплоемкость определяют по формуле:

, Дж/кгК (16)

где А - постоянная калориметра, равная количеству тепла, необходимого для нагревания его на один градус.

Иметь в виду, что удельная теплоемкость пород находится, в основном в пределах 0,4-2 кДж/кгК. Большой теплоемкостью обладает вода 4,19 кДж/кгК.

При изучении теплопроводности вспомнить, что передача тепла в различных средах от нагретых участков к холодным осуществляется в виде конвекции, излучения и теплопроводности. Теплопроводность - это передача тепла (энергии), осуществляемая на атомно -молекулярном уровне за счет увеличения интенсивности тепловых колебаний атомов, молекул и ионов. Она характеризуется коэффициентом теплопроводности λ, определяемым по формуле:

(17)

Если обозначить - удельный тепловой поток(количество тепла, проходящего через единицу сечения в единицу времени), а - градиент температуры (перепад температуры на единицу длины), то получим определение теплопроводности. Это удельный тепловой поток при градиенте температуры равном единице.

Тепловое расширение характеризуется коэффициентом линейного ά и объемного β расширения. Для изотропных пород и минералов . Все горные породы и минералы при нагревании расширяются. Если какой-то образец или объем породы не имеет возможности расширяться, то внутри него возникают термические напряжения σ_т. Они определяются следующим образом. Пусть имеется стержень породы длиной . При нагревании на температуру ΔT его удлинение определяется по формуле:

, (18)

а относительное удлинение:

, (19)

Если стержень зажат и не может расширяться, то возникающие термические напряжения равны тем напряжениям, которые необходимы для сжатия удлинившегося стержня до первоначальных размеров. Из закона Гука следует . Подставив в эту зависимость выражение (19) получим:

(20)

Запомнить, что вода обладает уникальным свойством - в интервале от 0⁰С до +4⁰С она не расширяется, а сжимается. Поэтому она имеет максимальную плотность при +4⁰С, и вода в водоемах замерзает сверху.

Плавкость пород характеризуется температурой плавления и теплотой плавления. Эти показатели необходимы при расчетах технологических процессов переработки руд.

При изучении полиморфных превращений минералов обратить внимание на превращение кварца при температурах +573⁰С и 870⁰С. Они интересны тем, что происходят со скачкообразным изменением объема, что сопровождается значительными термическими напряжениями. А это способствует эффективному разрушению пород термическими способами. Таким образом, следует знать, что кварц - и кремнесодержащие породы относятся к термобуримым.

Термостойкость и морозостойкость характеризуют изменение прочностных свойств при высоких и низких (отрицательных) температурах. Определяются они относительным снижением предела прочности на сжатие при многократных циклах нагревания - охлаждения и замораживания - оттаивания. К термо - или морозостойким относятся породы, у которых это снижение после 25 циклов составляет менее 25%.

Иметь в виду, что для минерального топлива есть еще одна важнейшая характеристика - удельная теплота сгорания.

Контрольные вопросы.

1. Назвать основные характеристики теплофизических свойств.
2. Указать единицы измерения основных характеристик.
3. Как влияет пористость на теплоемкость и теплопроводность?
4. Что такое полиморфные превращения минералов?
5. Как определяется коэффициент морозостойкости?
6. Что такое удельная теплота плавления?
7. Что такое удельная теплота сгорания?