Свойства. Горные породы характеризуются упругими, прочностными, акустическими, радиационными и другими физическими. Породы могут быть скальными, полускальными, разрушенными, сыпучими, плотными и мягкими и обладают рядом горно-технических свойств: абразивностью, твердостью, крепостью, буримостъю и взрываемостью. Совокупность физических и горнотехнологических свойств пород называют физико-техническими свойствами.
Механические свойства пород обусловлены в первую очередь силами связей между частицами пород, а электрические - ориентировкой частиц и проводящих каналов.
Совокупность физико-химических и иных свойств пород, а также естественной напряженности массивов называют природными условиями разработки месторождений. Эти условия существуют объективно и в нетронутом горными работами массиве пород являются постоянными в известных пределах.
Прочность. Для установления и использования закономерностей поведения массива горных пород в различные периоды его существования наибольшее значение имеют их прочностные, упругие и пластические свойства.
Прочность пород - свойство не разрушаться под воздействием нагрузок (технологический термин «крепость») - характеризуется величиной разрушающего усилия к площади приложения нагрузки. Предел прочности на сжатие (растяжение)
где δсж и δр - соответственно, пределы прочности на сжатие и растяжение;
Рсж, Рр - соответственно, сжимающие и растягивающие силы;
F - площадь образца породы.
Предел прочности при одноосном сжатии по шкале проф. Протодьяконова М. М. принят в качестве критерия механической прочности сравниваемых между собой пород. За единицу прочности принята 1/100 предельной прочности испытываемого образца. Для большинства пород предел прочности на сжатие не превышает 20 МПа, на растяжение - в 10...50 раз меньше. Корреляция между прочностями образца на сжатие и растяжение устанавливается путем лабораторных исследований. Эти величины изменяются в широких пределах, поэтому при инженерных расчетах следует ориентироваться на невысокую точность расчетов, если они приняты по аналогии. Характеристика пород описывается паспортом прочности.
Предел прочности на срез (сдвиг) - отношение срезывающей (сдвигающей) силы к площади среза (сдвига)
где Рср и Рсдв - соответственно срезывающие и сдвигающие силы.
Пределы прочности пород при сдвиге, срезе, изгибе и других видах деформаций меньше δсж и больше δр. Различают теоретическую, статическую, динамическую, остаточную, электрическую прочности пород.
Упругость пород. Это свойство восстанавливать исходную форму и линейные размеры после снятия нагрузки. Полное восстановление происходит при способности пород к упругой деформации. Предел упругости породы – минимальные напряжения, при которых кончаются упругие и начинаются пластические деформации. Модуль упругости или коэффициент пропорциональности между Е, действующим нормальным напряжением δ и соответствующей ему относительной продольной упругой деформацией ε называют модулем продольной упругости - модулем Юнга δ = Е ε.
Для твердых пород модуль упругости изменяется в пределах 5×109-1,5-1011 Па.
Отношение между отдельными деформациями (продольными и поперечными) называют коэффициентом поперечной деформации -коэффициентом Пуассона
Для твердых пород коэффициент Пуассона изменяется в пределах 0,10 -0,40.
В случае трехосного сжатия пород связь между прилагаемой силой Р и относительным изменением объема выражается модулем объемного сжатия
где δ' - величина сжатия,
∆V - сокращение объема,
V- первоначальный объем образца.
Отношение касательного напряжения т, приложенного к образцу породы, и деформации сдвига у характеризуется модулем сдвига
Модули продольной упругости Е и сдвига G соответствуют описанию напряженно-деформированного состояния породы и считаются основными характеристиками упругости пород.
Пластические свойства. Проявляются в увеличении скорости роста деформаций с повышением нагрузки. В твердых горных породах пластичность объясняется сдвигом зерен по определенным плоскостям под действием напряжений. Эти деформации происходят без нарушения сплошности вещества, участвуя в проявлении остаточной несущей способности разрушенных (дискретных) пород в окрестностях горных выработок. В результате происходит взаимное перемещение, смятие по контактам, обжатие, самозаклинивание и иные физические процессы, объединяемые понятием «квазипластичности», поскольку эти явления не совпадают с понятием пластичности, существующим в физике твердого тела.
Пластичность горных пород зависит от их минерального состава: жесткость частиц снижает пластичность и, наоборот, например, малопластичен кварц и пластичен базальт.
Реологические свойства. Характеризуют изменение поведения пород при длительном воздействии менее разрушающих нагрузок, которые превышают предел упругости.
Ползучестью называют медленное нарастание пластических деформаций во времени при постоянном воздействии. Причина ползучести заключается в росте деформаций за счет скольжения и перемещения зерен пород.
Релаксацией называют явление, обратное ползучести или снятие напряжений при постоянной деформации. Ползучесть и релаксация -проявление одного и того же реологического процесса. Если порода не потеряла способности к деформированию - имеет место ползучесть, в противном случае - релаксация. При релаксации возникшие упругие деформации переходят в пластические. Оценка реологических свойств пород важна при назначении размеров целиков и параметров крепи для учета фактора времени при практических расчетах.
Данные о массиве получают экспериментально, используя ,для этого многочисленные средства измерений. Простые и комплексные исследования являются начальным этапом принятия проектных технологических решений.
Для исследования состояния массивов применяют методы, базирующиеся на: измерении деформаций и расчете по ним напряжений с помощью формул теории упругости; измерении давлений приборами и определении по ним напряжений на основании тарировки; определении физических характеристик пород графическими методами и расчете по ним напряжений с помощью корреляционных зависимостей (акустический, ультразвуковой, электрометрический).
ругости или коэффициент пропорциональности между Е, действующим нормальным напряжением δ и соответствующей ему относительной продольной упругой деформацией ε называют модулем продольной упругости - модулем Юнга δ = Е ε.
