Разрушение горных пород – основной процесс горного производства. Разрушение происходит при отделении пород от массива механическими и любыми другими способами – при бурении горных пород, их взрывании, дроблении и измельчении на последующих стадиях переработки.
Разрушаемость пород может быть оценена соответствующей работой разрушения; ее величина обусловлена пределами прочности, упругими и пластическими свойствами горных пород.
Все породы по относительной трудности разрушения разделены на пять классов и на 25 категорий:
1 класс – мягкие, плотные и полускальные связные породы (птр = 1÷5); категории пород: 1-5;
2 класс – лекгоразрушаемые скальные породы (Птр = 5,1÷10); категории пород: 6-10;
3 класс - скальные породы средней трудности разрушения (Птр = 10,1÷15); категории пород: 11-15;
4 класс – трудноразрушаемые скальные породы (Птр = 15÷ 20); категории пород 16-20;
5 класс - весьма трудноразрушаемые скальные породы (Птр = 20,1÷25); категории пород: 21-25;
Таким образом, по трудности разрушения все породы делятся на 25 категорий; показатель категории совпадает с величиной Птр. Редко встречающиеся породы с Птр >25 относятся к внекатегорным.
Связные и рыхлые породы, а также твердые (предварительно ослабленные) отделяют от массива режущими кромками и зубьями выемочных агрегатов: скреперов, бульдозеров, экскаваторов, врубовых машин, очистных и проходческих комбайнов и струговых установок.
Режущая кромка или зуб агрегата под действием либо статистических, либо динамических усилий внедряется в массив и откалывает относительно небольшие куски (или снимает стружку) от массива. Этому процессу соответствует особые горнотехнологические параметры, характеризующие породу - удельные усилия резания, зарубания, откола, внедрения и т.д. Основные разрушающие напряжения при этом – сжимающие и сдвигающие. Поэтому в процессе резания основную роль играют прочностные и упругие параметры пород.
Как известно, породы, обладающие большой прочностью, не могут быть отделены от массива непосредственно выемочными агрегатами. В таких случаях используют предварительное рыхление массива буровзрывным способом.
Эффективность бурения взрывных скважин оценивается скоростью бурения, которая зависит от следующих факторов:
-способности пород разрушаться под действием бурового инструмента (основной фактор);
-вида и формы бурового инструмента и способа бурения; усилий и скорости -воздействия бурового инструмента на забой скважины;
-диаметра скважины и в ряде случаев ее глубины;
-способа, скорости и тщательности удаления из забоя скважины буровой мелочи, препятствующей разрушению породы.
Все перечисленные факторы определяют технологические параметры буровых станков; основной фактор – способность пород разрушаться – оцениваться буримостью пород.
Буримость – степень сопротивления породы разрушению буровым инструментом. Она включает в себя в скрытом виде такие механические характеристики пород, как упругие свойства, прочность, пластичность, а также технологические показатели – твердость, вязкость, и абразивность.
Все горные породы по величине Пб подразделяются на 25 категории (Пбот 1 до 25) с выделением пяти классов:
1 класс – лекгобуримые (Пб= 1÷5)
2 класс - средней трудности бурения (Пб= 6÷10)
3 класс – труднобуримые (Пб= 11÷15)
4 класс – весьма труднобуримые (Пб= 16÷20)1
5 класс – исключительно труднобуримые (Пб=21÷25)
Породы с показателем Пб > 25 относятся к внекатегорным. Введение показателя Пб упорядочивает и облегчает технологические расчеты буровых установок: их производительность, режим и техническую скорость бурения в конкретных горнотехнологических условиях.
Физические свойства и явления в породах используются не только для расчета параметров существующих станков, но и для совершенствования способов механического бурения. Интерес представляют методы гидравлического воздействия, методы приложения к породам упругих колебаний, ударных нагрузок и др.
При термическом бурении на породу воздействует высокотемпературная сверхзвуковая газовая струя, которая интенсивно разогревает тонкий поверхностный слой породы и вызывает в нем термические напряжения, приводящие к отколу от поверхности мелких чешуек.
Следовательно, термическое бурение пород происходит путем «шелушения», хрупкого отделения от нагреваемой поверхности небольших пластинок породы.
При взрыве образуется зона сжатия (зона пластических деформации), в которой порода либо переизмельчается (скальные и полускальные породы), либо уплотняется (часть плотных и мягкие глинистые породы). При этом преодолевается сопротивление породы силам сжатия и сдвига. При взрывном дроблении массива скважинными зарядами радиус зоны сжатия составляет (1-7,5)d3, где d3 – диаметр заряда.
За зоной сжатия расположена зона трещинообразования; радиус ее при скважинных зарядов составляет (20-50)d3. Здесь энергия взрыва расходуется на преодоление сопротивления породы с сдвигу, растяжению и частично сжатию.
За зоной трещинообразования следует зона сотрясения, которая с удалением от заряда переходит в зону упругих деформации. Зоны сжатия и трещинообразования образуют вместе зону регулируемого дробления. В зоне сотрясения также частично происходит разрушение пород по естественным трещинам (без дробления отдельностей массива)- это зона нерегулируемого дробления. При взрывных работах стремятся максимально увеличить зону регулируемого дробления путем управления действием взрыва. Разрушение пород при взрыве происходит в результате совокупного воздействия расширяющихся продуктов детонации, ударных волн и волн разгрузки. Расширяющие газы разрушают пород непосредственно в месте закладки ВВ. Одновременно они передают энергию взрыва в массив. Коэффициент передачи энергии взрыва в массив составляет 0,4 -0,6. Энергия в массиве вблизи заряда распространяется в виде ударной волны.
Разупрочнение (ослабление) пород- технологический процесс, применяемый либо с целью исключения буровзрывных работ, либо с целью повышения эффективности их. Ослаблению чаще всего подвергают мерзлые горные породы. Как известно, из-за смерзаемости рыхлых и связных пород на вскрышных работах пи добыче мягких и влажных руд, глин, песка, гравия в зимнее время возникают существенные затруднения.
Многочерпаковые и роторные экскаваторы, а также бульдозеры и скреперы вообще не способны разрабатывать мерзлую горную породу без предварительной ее подготовки к выемке.
Ослабление мерзлых пород осуществляют механическими и немеханическими методами.
Наиболее часто механическое рыхление осуществляют буровзрывными работами, рыхлителями, дизель –молотами и т.д.
В случае поверхностного нагрева применимы закономерности распространения тепла в полубесконечном твердом теле.
Разогрев пород с поверхности при большой глубине нагрева длителен, мало производителен и дорог.
Оттаивание пород осуществляют также непосредственным пропусканием электрического тока по разогреваемому участку.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Ржевский В.Н. Основы физики горных пород. М.: Недра 1989. 672 с.
2. Новик Я.С. Физика горных пород. М.: Недра 1986. 458 с.
3. Астафьев Ю.П. Управление состоянием массива горных пород. Киев ВШ. 1986. 672 с.
4. Арсентьев А.И. Устойчивость бортов и осушение карьеров. М.: Недра
1986. 359 с.
