Определение твердости горных пород

Твердость горных пород и минералов – одно из самых важных эксплуатационных качеств. Особенное значение эта характеристика имеет в строительстве – чем тверже камень, тем он больше ценится. Чтобы сравнить разные материалы по этому параметру, будь то обычный бетон или самый прочный габбро, учеными придуманы несколько систем. Наиболее известная из них – шкала Мооса. Но мало кто знает, что это всего лишь одна из самых грубых и весьма примитивных систем, сравнивающая только по принципу: этот материал мягче, чем тот, но тверже, чем другой. Для более точных измерений существуют множество других, более продвинутых методик.

Итак, сегодня в науке применяются такие способы:

Шкала Мооса или минералогическая шкала твердости

Этот простой и остроумный способ был предложен немецким геологом Карлом Фридрихом Моосом в 1811 году. Ученый выбрал 10 эталонных материалов и каждый строительный материал или природный материал определяется на твердость в сравнении с ними. Самым твердым Моос выбрал алмаз, самым мягким – тальк. Для сравнения используется метод царапанья. Числовое значение твердости определяется положением минерала между двумя эталонными образцами: один из них царапается более твердым эталоном, и одновременно, им можно поцарапать более мягкий образец. Например, твердость габбро по шкале Мооса составляет 7,1-7,2, то есть, он расположен между кварцем, который может поцарапать и топазом, который царапает саму породу габбро диабаз. Поэтому эта порода отлично подходит для строительных работ, в частности, из нее делается брусчатка и плиты мощения. А вот черный гранит имеет твердость ниже. Китайский Шанкси Блэк по шкале имеет значение чуть больше 6, а более качественный индийский гранит Абсолют Блэк приближается по значению к показателю 7. Поэтому его редко применяют для мощения, а больше как фасадный гранит.

Склерометрия

Этот метод предшествовал шкале Мооса и тоже основан на определении твердости методом царапанья материала. Склерометр, или его еще называют твердометром, которым выполняют царапанье, был изобретен также немцем – Зеебеком в 1833 году. Его длительное время применяли для выявления относительной твердости по шкале Мооса. Сейчас для этой цели используют другие способы.

Твердость по Бринеллю

Этот способ состоит в определении твердости путем вдавливания шариков разного диаметра (1, 2, 2,5, 5 и 10 мм) из закаленной стали в испытываемую поверхность. Полученные значения сравниваются с табличными значениями, куда вносится диаметр шарика и отпечатка, а также, приложенной нагрузки – и так определяется показатель твердости. Придумал этот метод шведский ученый Юлиус Бринелль, но применяют его чаще не на каменные породы – черный габбро, гранит и другие, а для металлов.

Твердость по Шоору (Шору) или метод отскока

Метод предложен в 1922 году Альбертом Шором и использует также метод вдавливания. Измерения проводятся прибором дюрометром, а результаты сравниваются с табличными данными. Эта методика больше подходит для не очень твердых материалов, поэтому сейчас ее используют для определения характеристик резины, пластиков, эластомеров, каучуков.

Твердость по Виккерсу

Этот метод также основан на процессе вдавливания – применяется для очень твердых материалов и металлов. При этом в образец вдавливается пирамидальный алмазный наконечник. В течение определенного времени производится выдержка с нагрузкой, а потом данные сравниваются с табличными значениями. Этот способ применяют для металла и различных видов горных пород.

Методика Роквелла

Тоже метод вдавливания, причем, на испытуемую поверхность сначала осуществляется предварительная нагрузка, а потто сразу – основная. Индентором выступает стальной шарик для более мягких материалов, а для металлов и горных пород – алмазный наконечник. Это один из главных способов, используемых в металлургии.

Шкала Протодьяконова

Ее разработал русский горный инженер Михаил Протодьяконов именно для горных пород, к которым относится габбро, гранит, лабрадорит. Методика определения совершенно другая – по устойчивости на сжатие. Все породы распределены на 10 категорий с определенным индексом. Этот метод дает более точные результаты, сем шкала Мооса.

Источник

Твердость

Относительная крепость (твердость) горных пород — это их способность сопротивляться механическому разрушению. Многие магматические и метаморфические породы обладают высокой твердостью, поскольку состоят из кристаллов. Например, такая кристаллическая магматическая порода, как гранит, часто залегает на поверхности в горных районах благодаря сопротивляемости к эрозии. Вулканические породы, включая застывшую лаву и пепел, обычно разрушаются намного быстрее гранита. Осадочные породы также бывают разной твердости. Так, породы, образовавшиеся из глин, неустойчивы и быстро смываются.

Твердость — это свойство горной породы сопротивляться внедрению или вдавливанию в нее более твердого тела, в частности породоразрушающего инструмента. При внедрении инструмента ограниченного сечения в месте контакта формируется зона материала, находящаяся в сложном напряженном состоянии. Твердостью в значительной степени определяется буримость горной породы; существуют методы определения буримости на основе показателей твердости. Для горных пород, являющихся поликристаллическими телами, выделяется твердость отдельных минералов (зерен) и агрегатная твердость. В зависимости от характера нагружения образца различают статическую и динамическую твердость.

Для определения относительной твердости используют шкалу Мооса, состоящую из 10 эталонных минералов, расположенных в порядке возрастания твердости:

Для измерения твердости горной породы используются также другие методы, в частности вдавливание специального пуансона (метод, разработанный Л. А. Шрейнером). Твердость породы по этому методу определяется по нагрузке на пуансон в момент ее разрушения. Количественно твердость по штампу определяется отношением разрушающей силы к площади штампа. Во время нагружения штампа (пуансона) при определении твердости породы самопишущий прибор регистрирует нагрузку и вычерчивает диаграмму деформации. По диаграмме определяют твердость, условный предел текучести, коэффициент пластичности и удельную контактную работу разрушения. Сопротивление породы разрушению зависит от характера нагрузки на буровой инструмент, внедряющийся в нее. При динамической (ударной) нагрузке сопротивление породы внедрению резца много ниже, чем при статическом давлении.

Таблица Сравнительная твердость различных минералов и материалов (по шкалам Мооса и Кнупа)

Дробимость характеризует относительную сопротивляемость породы измельчению при воздействии ударной нагрузки Дробимость является энергетической оценкой разрушения породы в условиях сложнонапряженного состояния. Операция дробления широко распространена при производстве щебня, а также при обогащении и подготовке к дальнейшей переработке полезных ископаемых, поэтому сведения о дробимости необходимы для расчета параметров дробилок и потребности в энергии. Опыты по определению дробимости проводят на образцах в виде кусков породы. Эти куски подвергают толчению, истиранию, раздавливанию. Характер воздействия на породы при испытаниях аналогичен технологическим операциям при разрушении пород. Во всех случаях определения дробимости оценку результатов устанавливают с помощью ситового анализа.

Известны следующие методы определения дробимости:

— однократное сбрасывание породных образцов с определенной высоты,

— дробление падающим грузом (однократный удар),

— толчение при многократных ударах падающим грузом,

— измельчение в барабанах и мельницах,

— раздавливание образцов в замкнутых сосудах.

Широко используется метод дробления однократным ударом падающего груза, предложенный Л.И. Бароном, В.М. Курбатовым и Р.В. Орловым. По этому методу образец неправильной формы разрушается гирей массой 16 кг, падающей с высоты 0,5 м. Разрушенный материал собирают и просеивают на ситах с размером отверстий 7 и 0,25 мм. Основным показателем дробимости является суммарный объемный выход фракции Vmax, прошедшей через сито 7 мм, на основе которого составлена классификация пород.

Классификация пород пo суммарному объемному выходу фракции

Кроме указанных свойств пород, при разрушении пород учитывают прочность, упругость, пластичность, хрупкость, вязкость, разрыхляемость горных пород.

Прочность— это свойство горных пород сопротивляться разрушению под действием внешней нагрузки. Различают прочность при сжатии, растяжении, изгибе, скалывании и ударе. При превышении пределов прочности для большинства породообразующих минералов и горных пород характерно практически мгновенное разрушение образцов, т. е. при распространенных в горной практике динамических способах разрушения горные по­роды являются хрупкими телами.

Порода теряет прочность, если в ней нарушаются внутренние связи и происходит хрупкое разрушение образца или появляются пластические деформации.

Упругость— свойство горных пород изменять свою форму или объем под действием внешней нагрузки и возвращаться к первоначальной форме или объему после снятия этой нагрузки.

Пластичность— это свойство горных пород деформироваться без разрушения под действием внешней нагрузки и оставаться в деформированном состоянии после ее снятия.

Хрупкость — свойство горных пород разрушаться под действием ударных нагрузок без заметной остаточной деформации. По Л. И. Барону [12], это свойство горной породы может характеризоваться коэффициентом хрупкости, представляющим собой отношение между работой, затраченной на деформирование образца до предела упругости, и общей работой деформации до момента разрушения.

Вязкостью называют способность горной породы сопротивляться силам, стремящимся разъединить ее частицы, способность пород к поглощению механической энергии при пластической деформации.. При горных работах вязкость пород оценивают по сопротивлению, оказываемому породой при отделении части ее от массива.

Разрыхляемость — это увеличение объема горной породы при ее выемке из массива. Разрыхляемость характеризуется коэффициентом разрыхления, представляющим собой отношение объема вынутой породы к первоначальному объему породы в массиве.

Коэффициенты разрыхляемости некоторых горных пород имеют следующие значения:

Растительный грунт, глина, суглинок, гравий 1,2-1,3

Крепость горных пород характеризуется их сопротивляемостью различным механическим воздействиям: бурению, отбойке, взрыванию, разработке другими механическими средствами. Крепость пород зависит от многих физико-механических свойств: твердости, вязкости, трещиноватости, хрупкости, упругости. В горном деле принята шкала крепости горных пород, предложенная проф. М. М. Протодьяконовым. По этой шкале все горные породы в зависимости от коэффициента крепости f_кр разделены на десять категорий, причем наиболее крепкие породы (кварциты, базальты и др.), имеющие коэффициент крепости f_кр=20, отнесены к I категории, а наименее крепкие (плывуны, разжиженные грунты), имеющие f_кр=0,3,— к X категории.

Размокаемость — это свойство пород изменять прочность при увлажнении. Характеризуется коэффициентом, численно равным отношению прочности породы до и после увлажнения.

Тиксотропность — это способность некоторых горных пород переходить в плывуноподобное состояние под воздействием ударно-механических, взрывных нагрузок, электрического тока или ультразвука.

У твердых горных пород существуют устойчивые прочностные связи между минеральными частицами. По характеру связей между частицами можно выделить кристаллически-зернистыеи зернисто-сцементированныепороды.

Свободное пространство между твердыми частицами характеризуется пористостью.Мерой пористости является отношение объема пор к общему объему породы. Пористость существенно влияет на прочностные свойства пород. Во-первых, поры, так же как и микротрещины, являются концентраторами напряжений и служат очагами зарождающихся трещин. При одинаковом минеральном составе более пористые породы, как правило, имеют меньшую прочность. Кроме того, породы с высокой пористостью способны уплотняться под действием нагрузки и проявляют повышенную склонность к неупругим деформациям. Ниже даны в порядке возрастания значения пористости (%) для ряда пород:

Практически все горные породы содержат в себе то или иное количество влаги. Различные состояния содержащейся в породе воды придают им различные прочностные свойства. Вода может быть представлена в следующих состояниях.

Адсорбированная водапредставляет собой несколько слоев молекул, удерживаемых на поверхности твердых кристаллов молекулярными силами взаимодействия. Глинистые минералы активно адсорбируют воду, что приводит к их расслоению и потере связности. Адсорбированная влагоемкость (отношение объема воды к объему породы) изменяется от долей процента у зернистых пород и до 20—30 % у глин. Пленку адсорбированной влаги покрывает тонкий слой рыхлосвязанной воды толщиной в несколько десятков и даже сотен молекул.

Капиллярная вода— это вода, удерживаемая в порах породы капиллярными силами. Капиллярные силы способны обеспечить подъем уровня капиллярной воды сверх уровня грунтовых вод от 0,3—0,6 м в песках, до 2—3 м и более в породах с преобладанием глины.

Свободная водане удерживается в твердом скелете молекулярными силами и перемещается в поровом пространстве по законам фильтрации.

Просушивание при температуре до 110°С обеспечивает удаление воды, в том числе и адсорбированной. В кристаллах некоторых минералов, например у гипса, содержится кристаллизационная вода, входящая в виде молекул в кристаллическую решетку. Эта вода удаляется лишь при более высоких температурах, и этот процесс сопровождается распадом или перестройкой кристаллов.

Влажностьоказывает влияние на механические свойства горных пород. Она может оказаться причиной заметного изменения прочностных и деформационных характеристик. Адсорбированная вода, как уже отмечалось, энергично внедряется в глинистые минералы, увеличивает объем (набухание) глины и снижает сцепление между твердыми частицами вплоть до полной текучести у глин. Силы сцепления минералов вплоть до текучести можно также нарушить в процессе механической вибрации (явление тиксотропии у глины, известняка). Наиболее существенно снижаются прочностные показатели при увлажнении песчано-глинистых пород. Поровая вода может являться активным агентом роста кристаллов, способствуя появлению внутренних, структурных напряжений. Этот процесс является основной причиной текучести соляных пород во времени. При отрицательных температурах фазовый переход воды в лед при­водит к резкому падению прочности водонасыщенных пород.

Плотность породы— это отношение массы породы естественной структуры к ее объему. Существует положительная корреляция между прочностью и плотностью. Ниже приведена плотность (кг/м 3 ) некоторых пород.

Все горные породы разбиты трещинами различной протяженности и шириной раскрытия. Показатель трещиноватостихарактеризуется количеством трещин на единице длины в заданном направлении (шт./м). Трещины в массиве группируются в некоторых характерных направлениях, предопределенных общими геологическими факторами образования. Общность параллельных трещин формирует систему трещиноватости.Обычно общий механизм образования трещин обеспечивает прочностную анизотропию в различных направлениях, проявляющуюся зачастую даже в образцах малых размеров. Для метаморфических пород обычно характерна развитая система трещин, элементы залегания которой совпадают с общим залеганием пород, а также две-три системы поперечных трещин.

Появление системы трещин в породном массиве с течением времени может быть связано с развитием тектонических и геодинамических напряжений. Тектонические напряжения могут способствовать развитию сети трещин вдоль направлений делимости, а также привести к образованию новых трещин.

При напряженном состоянии, близком к одноосному сжатию, образуются трещины, параллельные направлению сжатия (рис. 2.1, а). Эти трещины развиваются на глубинах до 1000 м и свойственны твердым породам.

Наличие нескольких пересекающихся систем подобных трещин свидетельствует о сложной тектонической истории массива с последовательным сжатием и растяжением в различных направлениях. При неравномерном трехосном сжатии или сдвиге создаются условия для роста систем сдвиговых трещин (рис. 2.1, б, в), на поверхности которых образуется мелко измельченный материал.

Рис. 2.1. Образование трещин в зависимости от вида напряженного со­стояния: а — одноосное сжатие; 6—неравномерное трехосное сжатие; в — сдвиг

Ниже дана характеристика трещин по степени их влияния на прочностные свойства массива.

1. Направление делимости,определяемое расположением в пространстве структурных частиц (зерен, кристаллов). В плоскостях делимости существует спайность. При разломе образца по направлениям делимости образуется свежая поверхность.

2. Прерывистые волосные трещины. Вплоскостях трещин сохраняется спайность до 5—10 % спайности в здоровых на­правлениях. В разломе по такой трещине видно чередование свежих участков и участков со следами побежалости.

3. Развитые волосные трещины.Раскрытие трещины весьма мало (до 0,1 мм), поверхность шероховатая, шероховатости на­ходятся в плотном зацеплении, сопротивление растяжению в плоскости трещин отсутствует, однако сопротивление сдвигу значительное благодаря зацеплению шероховатостей.

4. Зеркала скольжения.Поверхности трещин притерты местами до глянца, видны полосы скольжения, в трещине имеется то или иное количество минерального заполнителя. В плоскости трещины резко снижена сопротивляемость сдвигу.

5. Раскрытые трещины.Зияющие трещины в глубине массива, за пределами зоны разгрузки и выветривания, встречаются, но редко. Обычно раскрытые трещины заполнены вторичными гидротермальными минералами или глинистым материалом. Сопротивляемость таких трещин определяется свойствами заполнителей. Некоторые гидротермальные минералы могут обеспечивать значительную прочность трещин.

6. Зоны дробления.Представляют собой области повышенной трещиноватости или широкие трещины с непрочным заполнителем. Связность полностью утрачена по всем направлениям.

Устойчивость породных массивов в технологических системах определяется, с одной стороны, комплексом прочностных и деформационных свойств горных пород, а с другой — компонентами действующих на них напряжений.

Механические напряжения могут приводить к развитию чрезмерных деформаций, ухудшающих условия эксплуатации горных выработок. В одних случаях это могут быть деформации пластического характера без образования видимых трещин, которые искажают первоначальные размеры выработки (пучение пород). В более твердых породах, уже при относительно небольших деформациях, развиваются трещины, происходит обрушение кровли выработок и откосов. В хрупких породах процесс разрушения может иметь катастрофические последствия и протекать в динамическом режиме в виде горных ударов, а в сочетании с газодинамическими явлениями — в виде внезапных выбросов.

При разрушении горных пород трещины могут развиваться внутри отдельных кристаллов или проходить по их границам. В соответствии с этим выделяют четыре масштабных уровня:

♦ субмикроскопический; на этом уровне учитывают разрыв отдельных атомных или молекулярных связей;

♦ микроскопический; процесс можно наблюдать в микроскопе. Исследуют развитие микротрещин, плоскости скольжения, разрушение кристаллов или зерен, раскрытие минералов;

♦ макроскопический; процесс наблюдается невооруженным глазом на поверхности горной породы;

мегаскопический; происходит разрушение крупного массива горных пород, содержащего дефекты геологического характера.

Источник

Твердость горных пород

Наиболее просто твердость минералов определяется по шкале Мооса, по которой в качестве эталонов твердости выбрано десять минералов, отличащихся тем, что каждый последующий минерал царапает предыдущий, более мягкий. По шкале Мооса алмаз имеет наивысшую склеротическую твердость, равную 10. Сопоставление данной шкалы со шкалой твердости вдавливания по Кнупу показывает, что шкала Мооса не является линейной. Шкала Кнупа обеспечивает лучшее сопоставление твердости. По этой шкале твердость алмаза лежит в пределах 8000-8500 ед. Кнупа, что в четыре раза выше корунда (1700-2000 ед.) и в три раза выше твердого сплава (табл. 5.4).

Таблица 5.4. Сравнительная твердость различных минералов и материалов (по шкалам Мооса и Кнупа)

Сопротивление породы разрушению зависит от характера нагрузки на буровой инструмент, внедряющийся в нее. При динамической (ударной) нагрузке сопротивление породы внедрению резца много ниже, чем при статическом давлении.

Источник

Твердость горных пород

ТВЁРДОСТЬ горных пород (а. rock hardness; н. Gesteinsfestigkeit; ф. durete des roches, durete des terrains; и. dureza de rocas, solidez de rocas, firmeza de rocas) — свойство горных пород оказывать сопротивление внедрению в них других тел при сосредоточенном контактном силовом воздействии.

Твердость — характеристика горных пород, отражающая их прочность. В зависимости от предназначения величина твердости определяется различными методами. При использовании метода царапания по поверхности горных пород перемещают острый алмазный наконечник или эталонный минерал (см. Мооса шкала). В качестве меры твердости принимают величину усилия, с которым протягивается наконечник, ширину и объём царапины. В методах сверления твердости определяют по показателям взаимодействия сверла и породы. Меры твердости в этом случае: объёмная работа разрушения, величина крутящего момента и др.

По методу Ф. Пфаффа и твердости А. Джаггара используют алмазные наконечники, по методу А. М. Янчура и А. М. Кульбачного — резцы, армированные твёрдыми сплавами. Распространено также определение твердости по высоте отскока бойка с алмазным наконечником, сбрасываемого на поверхность горных пород с фиксированной высоты (метод А. Ф. Шора). В современной практике широко используют методы вдавливания инденторов в исследуемый образец. При этом твердости определяют методами Ю. Бринелля, С. Роквелла и др., апробированными в металловедении.

В горном деле практическое применение имеет показатель твердости, определяемый по методу Л. А. Шрейнера путём выкола лунки в шлифованной поверхности породы под действием нагрузки, приложенной к штампу с плоским круглым основанием. Численное значение твердости представляет отношение максимальной силы, действующей на штамп в момент выкола лунки, к площади контактной поверхности. Аналогичным путём определяют контактную прочность по методу Л. И. Барона и Л. Б. Глатмана. Отличие заключается в том, что индентор вдавливают в естественную (необработанную) поверхность породы. Установлено, что контактная прочность на 30% меньше твёрдости по Л. А. Шрейнеру, которая в свою очередь в 5-20 раз превышает прочность породы при одноосном сжатии.

Показатели твердости используют при проектировании средств механизации горных работ, оптимизации режимов эксплуатации породоразрушающих органов, обосновании нормативов производительности различных конструкций инструментов и т.д.

Источник