Учебное пособие: Горные породы и полезные ископаемые

Потери характеризуют уменьшение объема кондиционного полезного ископаемого вследствие оставления в недрах, отнесения к пустым породам, просыпания при погрузке и транспортировании и по другим причинам.

Разубоживание характеризует степень промешивания к кондиционному полезному ископаемому при ведении горных работ пустой породы или некондиционных сортов полезного ископаемого.

Месторождение будет промышленным, если его разработка целесообразна в данных экономических и географических условиях при современном уровне техники. В противном случае его считают непромышленным.

Массу или объем минерального сырья, заключенного в недрах на определенной площади, считают запасами полезных ископаемых. По народнохозяйственному значению выделяют запасы: балансовые, использование которых экономически целесообразно, и забалансовые, которые могут явиться объектом промышленного освоения, но использовать их в настоящее время экономически невыгодно. К промышленным относят часть балансовых запасов, за исключением проектных потерь.

Проектные потери - это часть балансовых запасов, проектируемая к безвозвратному оставлению в недрах.

1.2 Свойства горных пород, влияющие на эффетивность их разработки

Изучение различных свойств пород, разработка методики их определения и учета имеют большое значение для выбора типа применяемого горного оборудования, рационального способа отбойки породы, установления норм на выполнение буровых и взрывных работах и т. д.

При бурении и взрывании эффективность разрушения горных пород определяется различными свойствами. Это связано с тем, что при бурении зона разрушения под лезвием инструмента имеет небольшие размеры и зависит от микросвойств горных пород: твердости, прочности, абразивности, зернистости, вязкости и т.д.

При взрывании на карьерах и подземной разработке месторождений эффективность дробления массива зависит от прочности пород на сжатие и сдвиг, а также степени пористости и трещиноватости, прочности и разрушаемости отдельностей, слагающих массив при соударении и их плотности.

Твердость и абразивность влияют, главным образом, на износ инструмента при бурении и выбор величин осевого усилия на буровой инструмент и частоты его вращения.

К числу наиболее важных свойств горных пород в массиве относятся крепость, твердость, вязкость, устойчивость, трещиноватость и др.

Крепость характеризует способность пород сопротивляться разрушению под действием внешних воздействий.

Свойства горных пород изменяются в очень большом диапазоне. Трудно найти на разных участках месторождения хотя бы две по минералогическому составу породы с одинаковыми свойствами. Поэтому принято их объединять в виды, группы, категории и классы с определенным диапазоном свойств. Наибольшее распространение получила классификация горных пород по крепости, предложенная проф. М.М. Протодьяконовым, в основу которой положен коэффициент крепости f, который характеризует прочность горных пород на раздавливание при одноосном сжатии. Принято, что порода с прочностью на раздавливание 100 кгс/см2 (9,8·106 Н/м2) или 10 МПа имеет коэффициент крепости, равный единице, т.е. f = усж/100 (где усж - прочность породы при сжатии).

Проф. М.М. Протодьяконов считал, что коэффициент крепости характеризует породу во всех производственных процессах, т.е. если данная порода крепче другой в некоторое количество раз, например при бурении, то она, как правило. В столько же раз крепче ее при других производственных процессах, например, при взрывании.

По классификации (шкале) М.М. Протодьяконова все горные породы делятся на 10 основных категорий с коэффициентом крепости от 0,3 до 20. Очень крепкие и в высшей степени крепкие породы имеют f = 15-20 (кварциты, крепкие граниты); крепкие и довольно крепкие - f = 5-10 (песчаники, известняки); средней крепости (глинистые сланцы, плотный мергель); мягкие - f = 1-2 (уголь, глинистый грунт, гипс, каменная соль).

Твердость горной породы характеризуется сопротивлением проникновению в нее другого тела, не получающего при этом остаточной деформации. Ф. Моос (1773-1839) предложил метод определения твердости минерала путем царапания его минералами-эталонами. Эталонами твердости в минералогии приняты десять минералов, расположенных в порядке возрастания твердости и образующих шкалу твердости (шкалу Мооса), по которой можно определить относительную твердость минерала. В шкале твердости каждый предыдущий минерал чертится минералом последующим, более твердым: 1 - тальк, 2 - гипс, 3 - кальцит, 4 - флюорит, 5 - апатит, 6 - ортоклаз, 7 - кварц, 8 - топаз, 9 - корунд, 10 - алмаз.

Прочность - это свойство горных пород сопротивляться разрушению под действием напряжений, возникающих от нагрузок, влияния температуры, атмосферных осадков и других факторов.

Академиком В.В. Ржевским все горные породы разделены на три вида:

- скальные и полускальные породы (в естественном состоянии);

- разрушенные породы (искусственно или естественно измененные породы первого вида);

- плотные, мягкие (связные) и сыпучие горные породы.

К скальным породам относится большинство изверженных и метаморфических, а также часть осадочных пород с пределом прочности на одноосное сжатие более 50 МПа (f , более 5).

К полускальным породам относятся выветрелые изверженные, метаморфические и осадочные породы с пределом прочности на одноосное сжатие от 20 МПа до 50 МПа (f = 2-5).

В результате искусственного или естественного разрушающего воздействия скальные и полускальные породы переходят в разрушенное состояние. Разрушенные породы различают по степени связности и кусковатости. Степень связности характеризуется величиной разрыхления.

Разрыхляемость - свойство горных пород занимать больший объем в разрушенном состоянии по сравнению с объемом в массиве или целике. Отношение объема разрыхленной породы к ее первоначальному объему называют коэффициентом разрыхления. Наибольшим коэффициентом разрыхления характеризуются твердые, вязкие и абразивные породы (таблица 1.1).

Таблица 1.1. Значение коэффициента разрыхления пород

К плотным, мягким и сыпучим породам относятся связные породы, мягкие связные породы, разрыхленные мягкие породы, мерзлые мягкие и сыпучие породы с пределом прочности на одноосное сжатие до 0 МПа (f до 2).

Абразивность - способность или свойство горных пород изнашивать при трении о нее металлы, твердые сплавы и другие тела.

Пластичность - свойство пород необратимо изменять, не разрушаясь, свою форму и размеры под действием внешних сил.

Хрупкость - свойство пород разрушаться без пластических деформа-ций. При бурении и взрывании скальные горные породы можно рассматривать как хрупкие тела. Наибольшую пластичность имеет глина. Для разрушения пластичных пород требуется увеличенный расход ВВ.

Вязкостью в горном деле принято характеризовать сопротивляемость породы силам, стремящимся отделить ее часть от массива. С увеличением вязкости пород эффективность процессов бурения и взрывания снижается.

Зернистость характеризуется крупностью зерен минералов, образующих породы. Различают крупнозернистые породы с зернами. диаметром больше 5 мм, среднезернистые - с зернами диаметром 1-5 мм и мелкозернистые с зернами диаметром мене 1 мм. Чем меньше зерна минералов и чем прочнее цементирующие зерна вещества, тем труднее разрушается порода.

Пористость характеризуется наличием мельчайших замкнутых пустот в горной породе.

Водоносность - свойство пород задерживать воду и выделять ее при разработке месторождения (бурении скважин, проведении траншей и т.д.). Водоносность пород следует учитывать при выборе типа ВВ для заряжания скважин.

Плотностью породы называют массу ее единицы объема в естественном состоянии.

Устойчивость - свойство открытой поверхности горных пород сохранять свое положение не разрушаясь (обрушаясь). Этот показатель обычно характеризуется на открытых горных работа углом естественного откоса, т.е. углом, при котором откос породы находится в устойчивом состоянии. Величина его для разных пород меняется от 20о до 80о. Особенно важное значение приобретает устойчивость при разработке глубоких горизонтов карьера (ниже 300 м), а также при выводе бортов карьера на проектный контур: чем круче и устойчивее откосы уступов, тем меньший объем вскрышных пород надо извлечь при добыче проектного объема полезных ископаемых.

Устойчивость пород при подземных горных работах (проходка выработок, отбойка руд) характеризуется величиной площади открытой поверхности в выработке или камере, которая сохраняется без обрушения.

Слоистость - свойство пород относительно легко разделяться по плоскостям наслоения. При ведении работ в слоистых породах шпуры и скважины следует располагать под углом 45о-90о к плоскостям наслоения, так как это улучшает эффективность взрыва и уменьшает вероятность искривления шпуров и скважин, особенно когда прослойки имеют разную прочность.

Трещиноватость характеризуется частотой и пространственным расположением трещин в массиве горной породы, которыми он разделен на отдельности различных размеров. Монолитных, т.е. не имеющих трещин, пород при открытой разработке месторождений полезных ископаемых практически не встречается.

Естественная трещиноватость горной породы определяется геологической характеристикой месторождения, т.е. ее генезисом и последующими тектоническими процессами, дополняется искусственной, зависящей от ведения взрывных работ. Она образуется в результате многократного сейсмического воздействия взрыва на массив, расположенный вне разрушаемого объема. С увеличением величины и диаметра заряда искусственная (техногенная) трещиноватость массива и степень раскрытия трещин возрастают.

Трещиноватость влияет на кусковатость взорванной горной массы при массовых взрывах и проходке выработок, их оконтуривание, на выход негабарита. Одни и те же по составу породы при интенсивной трещиноватости разрушаются, не образуя негабарита, и, наоборот, при слабой трещиноватости дают большой выход негабарита, худшее оконтуривание сечения.

Поэтому при выборе методов ведения взрывных работ и установлении допустимого размера куска, проектировании паспортов буровзрывных работ при проходке для предприятия необходимо учитывать трещиноватость пород.

Трещиноватость массива характеризуется удельной трещиноватостью: числом открытых трещин всех систем, приходящихся на единицу длины прямой, проведенной в произвольном направлении. Величина, обратная удельной трещиноватости, дает среднее расстояние между трещинами, которое численно принимают равным среднему диаметру естественной отдельности.

Содержание крупных или мелких отдельностей в массиве до взрыва обычно выражается в процентах к его объему.

Средний объем крупных отдельностей, слагающих массив, зависит от типа трещиноватости массива: чем больше содержание в массиве крупных отдельностей, тем больше их средний объем. Все породы по степени трещиноватости или содержанию в массиве крупных отдельностей условно разделены на пять категорий (таблица 1.2).

Таблица 1.2. Временная классификация пород по трещиноватости межведомственной комиссии по взрывному делу