Механические свойства горных пород

Механические свойства, характеризующие поведение пород при воздействии механических нагрузок, подразделяются на упругие, пластические, прочностные и реологические.

Упругие свойства определяют поведение пород только в пределах упругой зоны, т.е. при нагрузках, после снятия которых порода возвращается в исходное состояние. Упругие смещения, возникшие в породах под воздействием кратковременных импульсов, способны распространяться по объему пород. Волновой процесс распространения таких смещений (упругих колебаний) описывается акустическими свойствами пород.

Пластические свойства пород проявляются при нагрузках, превышающих предел упругости породы, после снятия которых порода уже не полностью восстанавливает исходную форму и размеры.

Прочностные свойства определяют величины разрушающих нагрузок в породах.

Реологические свойства оценивают изменения деформаций, напряжений и перечисленных выше механических параметров пород во времени – при длительных воздействиях нагрузок.

Масса единицы объема твердой фазы (минерального скелета) минерала или породы называется ее плотностью (ρ _о).

Минералы делятся на: тяжелые ρ _о > 4· 103 кг/м³; средние ρ _о=4− 2, 5· 103 кг/м³; легкие ρ _о< 2, 5· 103 кг/м³, 13% всех минералов – легкие; 33, 8% − тяжелые; 53, 2% − средние.

Плотность горных пород определяется плотностью слагающих пород минералов (ρ _oi):

ρ _о= nΣ τ = 1ρ _oi · V_i, (2.1)

где V_i – доля объема, занимаемая каждым минералом.

Наряду с плотностью используют понятие объемной массы (ρ) – масса единицы объема сухой породы при данной пористости в ее естественном состоянии:

ρ = ρ _o (1− Р), (2.2)

где Р – пористость, доли единиц.

Плотность породы всегда больше их объемной массы: ρ > ρ _o.

Объемная масса большинства пород колеблется от 1, 5× 10³ до 3, 5· 10³ кг/м³.

Большой плотностью обладают руды, в состав которых входят тяжелые минералы (гематит, магнетит, сидерит, киноварь).

Плотность кристаллических пород на 4− 10% больше плотности аналогичных им по составу аморфных пород.

Низкую объемную массу имеют гидравлические осадки – гипс ρ = 2, 3· 10³ кг/м³, каменная соль – 2, 1· 10³ кг/м³.

Весьма низкими значениями объемной массы(0, 7 – 2)· 10³ кг/м³ обладают каменный уголь и торф; плотность углей определяется их пористостью, содержанием углерода и наличием примесей, углерод имеет плотность 2, 3· 103 кг/м³. При переходе к более метаморфизованным углям (бурые угли – газовые угли – антрацит) наблюдается снижение пористости).

Вес единицы объема твердой фазы породы называется удельным весом породы (γ о), а вес единицы объема сухой породы в естественном пористом состоянии – объемным весом (γ):

γ _о =ρ _о· g, (2.3)

где g – ускорение свободного падения.

Удельный и объемный веса породы – параметры силовые, они принимаются только в тех случаях, когда рассматриваются силы, например, горное давление.