Додаткові спеціальні характеристики фізико-механічних властивостей скельних і напівскельних порід.
Такі характеристики становлять інтерес поряд із основними при проектуванні та будівництві різних споруд, при виконанні геологорозвідувальних і гірничих робіт на родовищах корисних копалин тощо. Інколи їх називають виробничими, будівельними, геотехнічними або гірничотехнічними. В дійсності всі вони також виражають фізико-механічні властивості гірських порід, оскільки визначають їхній фізичний стан і опір впливу тих чи інших зусиль. Однак якщо основні характеристики необхідні для розв’язку найрізноманітніших будівельних та інших завдань, то додаткові використовують тільки для проектування й оцінки головним чином тих чи інших виробничих процесів. Кожна така характеристика застосовується залежно від виду будівельних або гірничих робіт в «індивідуальному» порядку. Тому їх правильніше називати додатковими спеціальними характеристиками фізико-механічних властивостей гірських порід. До числа таких характеристик відносяться: тривкість порід, твердість, стиранність, знос і абразивність, розробність, буримість, опір вибухам і різанню, розпушуваність, морозостійкість та ін.
Тривкість гірських порід характеризується їхнім опором руйнівним зусиллям. При її оцінці користуються головним чином класифікацією М.М.Протодьяконова. За цією класифікацією всі гірські породи розділяються на 10 категорій. Для кожної з них встановлений коефіцієнт тривкості, який характеризує породу водночас за ступенем опору стиснення, розробністю, буримістю, витратами вибухової речовини для руйнування, стійкістю і тиском на кріплення підземних виробок.
Коефіцієнт тривкості гірських порід залежить від їхнього петрографічного складу, фізичного стану – ступеня тріщинуватості, вивітрілості, вологості, міцності та ін. Найчастіше він визначається за тимчасовим опором стисненню порід
Rст/100. (13.1)
Твердість характеризується опором, який виявляє порода при проникненні в неї іншого тіла, тобто якого-небудь інструмента. Отже, твердість – це міцність породи на вдавлювання при місцевих контактних впливах. Вона залежить від твердості мінералів, з яких складається порода, від міцності структурних зв’язків у ній і від фізичного стану породи. При оцінці твердості мінералів зазвичай користуються шкалою Мооса. Розрізняють мікротвердість, тобто твердість окремих мінералів, і агрегатну твердість, тобто твердість породи в цілому.
Агрегатну твердість визначають шляхом вдавлювання штампа в зразок породи з двома плоскопаралельними шліфованими поверхнями. Замість агрегатної твердості часто визначають контактну міцність шляхом вдавлювання штампа у необроблену природну поверхню зразка гірської породи. Цей метод простіший і ближчий до реальних виробничих умов. Контактна міцність гірських порід може коливатися у досить широких межах, наприклад, від 3,2 МПа (філітовий сланець) до29,0 МПа (кварцит).
Показники агрегатної твердості й контактної міцності використовуються при виборі гірничих і бурових інструментів.
Стиранність, зношування і абразивність є опосередкованими показниками тривкості гірських порід. Так, стиранність і зношування характеризують тривкість порід при використанні їх для шляхових цілей у вигляді щебеню для дорожнього баласту, покриттів, влаштування бруківок, як будівельного каменю для підлог, сходинок, як матеріалу для будівництва берегозміцнюючих споруд.
Визначення стиранності виконують шляхом випробування зразків породи на стандартному обертовому крузі для стирання. На такий круг у якості шліфувального матеріалу насипають кварцовий пісок відповідної величини або наждак. Після певного числа обертів круга зразок зважують і вимірюють. За втратою маси і зміною об’єму визначають його стиранність. Обчислення стиранності виконують за об’ємом і масою на одиницю поверхні, що треться. Наприклад, при проектуванні доріг на ділянках з інтенсивним рухом стиранність порід повинна бути не більшою від 0,4 г/см3, а при слабкому русі не більшою від 2 г/см3. породи зі стиранністю, більшою від 2 г/см3, належать до слабких.
Зношування характеризує тривкість щебеню, виготовленого зі скельних і напівскельних порід, при випробуванні його в барабані Деваля. Наважка щебеню після випробування в барабані (після 10000 обертів) повинна мати втрату в масі (зношування – утворення дрібнозему) не більше від 4-10% (для дорожніх цілей залежно від класу доріг).
Абразивність гірських порід характеризує їхню здатність стирати контактуючі з ними поверхні будівельних і гірничих інструментів, машин і обладнання у процесі їхньої роботи. Абразивність гірських порід оцінюється середньою втратою маси циліндричного стрижня із вуглецевої сталі шляхом стирання його об породу при обертанні зі швидкістю 400 об/хв під осьовим навантаженням 1,5 МПа протягом 10 хв. Всі гірські породи за абразивністю поділяються на вісім класів – від дуже мало абразивних до у вищій мірі абразивних.
Розробність гірських порід характеризується опором їх руйнуванню в різних робочих процесах (копанні, бурінні, відбиванні, підриванні тощо). Розробність (видобувність) визначає спосіб і інструменти, якими слід користуватися при розробці гірських порід. Вона характеризується питомими витратами часу, енергії або витратами робочого інструменту на руйнування (розробку) одиниці об’єму породи. За будівельними нормами і правилами всі породи за розробністю поділяються на XVI категорій.
Буримість характеризує ступінь відносної опірності гірських порід руйнуванню інструментом у процесі буріння. Показником буримості прийнято вважати довжину шпура, пробуреного за 1 хв чистого часу буріння за певних стандартних умов. Інший критерій – число хвилин чистого часу буріння 1 м шпура також за стандартних умов. Буримість порід залежить від їхніх фізико-механічних властивостей, розміру, форми і матеріалу бурового інструменту, режиму роботи, тобто енергії удару, кількості обертів, осьового тиску, якості й інтенсивності промивання і продування забою тощо. Показники буримості служать для нормування процесів буріння і класифікації порід за буримістю.
Підривність характеризує відносну опірність порід руйнуванню при розробці їх вибуховим способом (при вибуховому відбиванні). Показником підривності є витрата вибухової речовини в кілограмах на 1 м3 гірської породи в умовах природного залягання. Гірські породи від V до XVI будівельних категорій, які розробляються частково або повністю вибуховим способом, розрізняються між собою за значенням питомої витрати вибухової речовини. Підривність порід залежить від їхнього складу і будови, фізичного стану, міцності, тривкості, а також від умов підривання (вибухової речовини, розміру заряду тощо).
Опірність різанню характеризує опір породи різанню гірничою машиною. Мірою опірності різанню служить витрата роботи, кількість зруйнованої породи і ступінь її подрібнення.
Розпушуваність, тобто збільшення об’єму порід у результаті їхнього розпушування, подрібнення, перелопачування, екскавації при розробці, оцінюють коефіцієнтом розпушуваності Кр. Він являє собою відношення об’єму породи після розпушування Vр до об’єму її в умовах природного залягання V, тобто
Кр = Vр/V. (13.2)
Розпушуваність порід залежить як від їхнього складу, так і від виробничих умов розробки, транспортування, способу вкладання у відвал, тривалості перебування у відвалі і т.д.
Морозостійкість є однією із важливих будівельних властивостей скельних і напівскельних порід. Вона характеризує їхню здатність зберігати фізичний стан (не руйнуватися) і тривкість за впливу від’ємних температур. При неодноразовому заморожуванні і розмерзанні в породах виникають напруження, які викликають руйнування. В результаті породи кришаться, розтріскуються, розшаровуються, вкриваються макро- і мікротріщинами, втрачають міцність.
Морозостійкість порід визначається прямими (безпосередні випробування порід у морозильних камерах шляхом 15- або 25-кратного їх заморожування й розморожування) і опосередкованими (коефіцієнт водонасичення і коефіцієнт розм’якшення) методами. Порода вважається морозостійкою, якщо після багаторазового заморожування не має зовнішніх ознак руйнування і деформацій і якщо її міцність знижується не більше ніж на 20-25%.
Запитання для самоконтролю.
1. Які характеристики властивостей порід відносяться до додаткових?
2. Що називається тривкістю гірської породи і від чого вона залежить?
3. Як визначаються стиранність, знос і абразивність порід?
4. Що означає термін «розробність гірської породи»?
5. Дайте означення морозостійкості гірської породи.
