Влияние минерального состава и строения пород на их прочность

Из породообразующих минералов наибольшей прочностью обладает кварц – предел прочности превышает 500 МПа, у полевых шпатов, пироксенов, авгита, роговой обманки, оливина и др. железисто-магнезитовых минералов – 200− 500 МПа, кальцит имеет σ _сж ~ 20 МПа.

Прочностные характеристики пород очень чувствительны к их структуре. Прочность сцементированных пород в первую очередь определяется прочностью и качеством цемента (матрицы), а не заполнителя.

Наличие более прочных пород в менее прочной матрице иногда не только не упрочняет ее, а наоборот, способствует более легкому разрушению породы.

Наибольшие значения предела прочности при сжатии имеют плотные мелкозернистые кварциты и нефриты: 500 − 600 МПа. Значительной прочностью (> 350 МПа) обладают плотные мелкозернистые граниты, несколько меньшей – габбро, диабазы и крупнозернистые граниты. Прочность углей при сжатии изменяется от степени их метаморфизма от 1 МПа (коксовые угли) до 35 МПа (антрациты).

Пределы прочности при растяжении большинства пород не превышают 20 МПа и составляют ~ (0, 1− 0, 02) σ _сж. Наибольшая прочность при растяжении характерна для кварцитов и мелкозернистых перекристаллизованных мелкозернистых мраморов.

Пределы прочности при сдвиге, изгибе и др. видах деформаций всегда меньше предела прочности при сжатии и больше предела прочности при растяжении, но более близки к последнему: τ сдв гранитов ~ 38 МПа; τ сдв базальтов до 30 − 50 МПа.

Сцепление горных пород 1− 100 МПа, для углей С = (10^-2 − 1) МПа.

Угол внутреннего трения в породах – 20− 60°, в углях – 30− 40°.

Основное влияние на прочность пород оказывают их пористость и трещиноватость. В результате породы даже совершенно различного состава могут иметь одну и ту же прочность, и наоборот. Существенное влияние на прочность пород оказывает также слоистость.

При растяжении поперек слоев порода будет разрушаться по слабому прослойку. При растяжении вдоль слоев прочные слои воспринимают на себя часть нагрузки и увеличивают общую сопротивляемость породы.

Следовательно, Кσ _рсж = σ _р║ /σ _p┴ > 1

Пределы прочности пород при сжатии поперек слоистости в подавляющем большинстве случаев больше, чем вдоль слоистости. Если сжимающие усилия направлены перпендикулярно к слоям, то слабые тонкие прослойки удерживаются от раскалывания более прочными слоями и в целом σ _сж образца превышает σ сж наиболее слабого прослойка.

При сдавливании образца вдоль слоистости прочность породы определяется главным образом прочностью наиболее слабых прослоек, по которым и происходит раскол породы:

Кσ _сж = σ _сж║ /σ _сж┴ ≤ 1 (2.12)

Порфировидная структура повышает прочность пород, если включения малы, а основная масса тонкокристаллическая и сплошная. Мостовая структура увеличивает, а стекловидные массы уменьшают прочность пород.

С увеличением зерен прочность равномерно-зернистых горных пород падает.