Технологическая характеристика горных пород

Объектами открытых горных работ являются разнообразнейшие горные породы:

• коренные (магматические, метаморфические и осадочные), залегающие в толще земной коры на месте своего образования;
• покрывающие коренные породы наносы — измельченные породы, переотложенные или перенесенные.

При разработке горные породы подвергаются различного рода воздействиям, главным образом механическим: ударам, сдвигу, уплотнению, перемещению и другим, в результате чего изменяется их состояние. В общем случае различают естественное и искусственно измененное (посредством взрыва, механическими способами разрушения, водопонижением, химическим укреплением и др.) состояния горных пород.

При горных работах важно знать физико-технические свойства и характеристики горных пород: плотность, пористость, влажность, сопротивление различным усилиям, абразивность, вязкость, хрупкость, устойчивость, увеличение объема при разрушении и др.

Крепость — величина, характеризующая сопротивляемость полезного ископаемого (породы), разрушаемого при добывании. Под крепостью руд понимают совокупность таких физико-механических свойств, как твердость, вязкость, трещиноватость, слоистость. Крепость существенно влияет на выбор системы разработки, применяемых машин и механизмов и себестоимость добычи.

Во всем мире широко применяется классификация горных пород по шкале крепости проф. М. М. Протодьяконова, созданная в 1914 году. Согласно этой классификации, все породы характеризуются коэффициентом крепости

2.1

где σсж - сопротивление пород одноосному сжатию, МПа.

В высшей степени крепкие (плотные кварциты и базальты) имеют наибольшее значение коэффициента крепости - 20. Плывуны, болотистый грунт, разжиженный лёсс - наименьшее (0,3). Довольно мягкие породы хорошо разрушаются резанием и могут размываться струей воды под большим давлением.

Породы средней крепости режутся с трудом, для их отделения от массива требуется применение буровзрывных работ. В крепких породах отбойку ведут буровзрывным способом.

Большое влияние на устойчивость рудного массива и вмещающих пород оказывают трещиноватость и вязкость. От строения и крепости руды зависят крупность и количественное соотношение отбитых кусков (кусковатость).

Характеристика отбитой руды по процентному содержанию в ней кусков различных размеров выражается гранулометрическим составом:

• 0—100 мм —рудная мелочь;
• 100—300 мм —руда средней крупности;
• 300—600 мм —крупнокусковая;
• свыше 600 мм —весьма крупная.

Кондиционным куском руды принято называть кусок с максимально допустимым по параметрам применяемого оборудования размером от 300 до 700 мм. Куски руды, превышающие кондиционные размеры, называют негабаритами.

Руды, содержащие один полезный компонент, называют простыми, несколько компонентов—полиметаллическими. Простые руды: железные, марганцевые, медные, золотые и др. Полиметаллические: свинцово-цинковые, вольфрамо-молибденовые и др.

По ценности руды делят на богатые (высокосортные), средней ценности (рядовые) и бедные (низкосортные).

Минимальное содержание полезных компонентов, которое принимают за основу при установлении промышленного контура залежей, называется бортовым содержанием. Как правило, месторождения бедных руд являются более крупными по запасам, особенно в сравнении с богатыми. При разделении руд по ценности руководствуются существующими промышленными кондициями и сложностью технологии их обогащения. Таким образом, ценность руд определяется содержанием в них полезных компонентов, наличием вредных примесей, обогатимостью и др.

Различают валовую и извлекаемую (промышленную) ценности руды. Валовая ценность определяется стоимостью полезных компонентов, содержащихся в 1 т руды. Извлекаемая ценность определяется стоимостью полезных компонентов, извлеченных из 1 т руды в результате добычи и переработки.

Ценность руды — понятие относительное, оно меняется со временем. Например, изменение технологического процесса обогащения, приводящее к увеличению извлечения, может значительно повысить ценность руды. Ценность руды меняется также в зависимости от изменения цен на рынках минерального сырья.

Геологические запасы разделяют на балансовые н забалансовые. Балансовые запасы — это запасы, которые удовлетворяют промышленным кондициям. Забалансовые запасы вследствие низкого содержания полезного компонента непригодны для использования в настоящее время. В балансовые запасы включают промышленные запасы, подлежащие извлечению. В процессе разработки часть промышленных запасов теряется, эти потери называют эксплуатационными.

Кроме руды, при разработке полезных ископаемых извлекают пустые породы. Часть их выдается на поверхность отдельно, а часть, смешиваясь с рудой в процессе выемки,—совместно.

Свойства пород изменяются в большом диапазоне. Трудно найти хотя бы две одинаковые по минералогическому составу породы на разных месторождениях с одинаковыми свойствами и характеристиками. Поэтому принято объединять породы в группы, категории и классы с определенным диапазоном свойств и характеристик. Для открытой разработки все горные породы целесообразно делить на группы:

• скальные и полускальные (в естественном их состоянии);
• разрушенные (искусственно или естественно измененные породы первой группы);
• плотные, мягкие (связные) и сыпучие.

Группы пород предопределяют способы их разработки и применяемые для этого технические средства.

К скальным породам относятся большинство изверженных и метаморфических, а также некоторые осадочные породы, насыщенные водой и характеризующиеся пределом прочности при одноосном сжатии в куске (образце) более 50 МПа. К ним, в частности, относятся кварциты, граниты, базальты, габбро, колчеданы, прочные известняки, песчаники, песчанистые сланцы, кремнистые конгломераты.

К полускальным породам относятся выветрелые bзверженные и метаморфические породы и в основном коренные осадочные породы (глинистые и песчано-глинистые сланцы, глинистые и известковистые песчаники, руды гематитовые, мергели, известковые брекчии и конгломераты, известняк-ракушечник, аргиллиты, алевролиты, гипс, каменная соль, каменные и прочные бурые угли и др.)- Предел их прочности при одноосном сжатии в куске (при насыщении его водой) от 20 до 50 МПа.

Характерным отличием скальных и полускальных пород от менее прочных (плотных) является необходимость предварительного их разрушения при разработке (обычно взрывным способом).

В результате воздействия взрыва, механического разрушения и дробления или природных сил (обрушение, выветривание и др.) скальные и полускальные породы переходят в разрушенное состояние и становятся пригодными для погрузки и перемещения обычными техническими средствами.

Разрушенные породы различаются по:

• степени связности;
• кусковатости;
• прочности в куске, которая соответствует прочности пород до разрушения.

Связность отражает характер связей между смежными кусками породы, сопротивление отрыву которых значительно меньше по сравнению с сопротивлением сдвигу. Степень связности зависит в первую очередь от разрыхленности разрушенных пород, а также их кусковатости.

По степени связности разрушенные породы подразделяются на три категории:

• I категория — сыпучие разрушенные породы. Характеризуются наличием многочисленных воздушных промежутков между кусками, но возможно зажатие отдельных кусков и зацепление между ними. Породы склонны к осыпанию и образованию четко выраженных откосов;
• II категория — связно-сыпучие разрушенные породы. Характеризуются наличием небольших воздушных промежутков (пустот) между отдельными природными блоками и кусками. Сцепление между ними отсутствует, но куски зажаты и сохраняются зацепление между кусками и сцепление по ненарушенным природным трещинам в кусках. Насыпь не имеет четко выраженных откосов;
• III категория — связно-разрушенные породы. Представлены природными отдельностями массива, не полностью разделенными между собой. При этом трещиноватость массива увеличивается, но сохраняется в значительной мере сцепление между блоками. Уступы имеют крутой откос.

Кусковатость определяют по среднему линейному размеру куска. Разрушенные породы по кусковатости подразделяются на пять категорий:

• I категория — очень мелкоразрушенные породы с размером наиболее крупных кусков до 0,4—0,6 м;
• II категория — мелкоразрушенные породы с размером кусков до 0,6—1,0 м;
• III категория — среднеразрушенные породы с размером кусков до 1,0—1,4 м;
• IV категория — крупнор аз рушенные породы с размером наиболее крупных кусков 1,5—2,0 м;
• V категория — весьма крупноразрушенные породы, которые содержат отдельные куски размером 2,5—3,0 м и более.

Категории разрушенных пород по кусковатости и степени связности зависят от вида и условий процесса их разрушения:

• при механическом дроблении или дополнительном перемещении различными техническими средствами породы всегда сыпучие, связь между отдельными кусками обусловлена только силами трения и небольшого зацепления;
• взорванные породы любой кусковатости могут быть связными, связно-сыпучими или сыпучими в зависимости от характера и условий взрывания, а также местонахождения после взрыва.

Разрушенные породы, перемещенные и уложенные в насыпи и отвалы, характеризуются коэффициентом внутреннего трения, равным тангенсу угла ρ естественно откоса. Обычно ρ = 34..38°.

Породные куски, имеющие размеры больше допустимых по технологическим условиям разработки, называются негабаритными; они подлежат дополнительному дроблению. Размер и выход негабаритных кусков являются понятиями относительными, определяемыми мощностью погрузочного и транспортного оборудования. Чем больше допустимый размер куска, тем меньше при одинаковом качестве взрыва выход негабарита.

Плотные породы включают твердые глины, мел, бурые и каменные угли, глинистые руды и др. Предел прочности пород при одноосном сжатии равен 5..20 МПа. Они способны в массиве сохранять откосы под углом до 60..70° при высоте до 10..20 м, их можно разрабатывать горными машинами без предварительного разрушения при достаточных усилиях копания. Довольно часто при отсутствии мощной техники такие породы перед выемкой взрывают или рыхлят.

Мягкие породы включают песчаные глины, суглинки, супеси, мягкие угли, полностью дезинтегрированные изверженные и метаморфические породы и др. Предел прочности их при сжатии 1..5 МПа. Такие породы достаточно легко, без предварительного рыхления разрабатываются всеми видами выемочных машин с усилиями копания 0,2..0,3 МПа и способны сохранять откосы под углом 50..60° при высоте их до 7..15 м. При высыхании эти породы становятся полутвердыми, а под действием воды набухают.

К сыпучим породам относятся однородные пески. Углы откосов их в насыпях и массиве не должны превышать угла внутреннего трения (ρ = 19..37°). Усилия копания в песках наименьшие, так как силы сцепления между однородными окатанными частицами практически отсутствуют.

Разнородные породы обычно представлены уплотненными мягкими и сыпучими породами со скальными включениями в виде гравия, валунов, конгломератов, кремнистых или известковистых прожилковых линз и других, хаотически расположенных в массиве основной породы. Наиболее характерны разнородные породы для песчано-гравийных месторождений.

Мерзлые мягкие и сыпучие породы образуются при отрицательной температуре вследствие превращения вначале свободной, а затем и связанной воды в лед, прочно скрепляющий минеральные частицы пород. По мере понижения температуры и увеличения влажности пород (до полного водонасыщения) временное сопротивление их сжатию существенно возрастает. Прочность мерзлых мягких и сыпучих пород близка соответственно прочности плотных и полускальных пород. Мерзлые песчанистые породы (слитная текстура) при оттаивании имеют те же прочностные показатели, что и до промерзания. Глинистые мерзлые породы при оттаивании часто превращаются в разжиженную массу и теряют несущую способность.