Механическое разрушение горных nород

МОСКОВСКИЙ 
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ 
ГОРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ 

РЕДАКЦИОIШЫЙ 

СОВЕТ 

Председатель 

Л.А. ПУЧКОВ 

ЗйиN. председ~еля 

л.х.гитис 

Члены редсовета 

И. В. ДЕМЕНТЬЕВ 

А.П. ДМИТРИЕВ 

Б.А. КАРТОЗИЯ 

М.В. КУРЛЕНЯ 

в.и.осипов 

э.м. соколов 

К.Н. ТРУБЕЦКОЙ 

В.В.ХРОНИН 

В.А. ЧАНТУРИН 

Е.И. ШЕМЯКИН 

ИЗДАТЕЛЬСТВО 

московского 

ГОСУДАРСТВЕННОГО 

ГОРНОГО УНИВЕРСИТЕТА 

ректор МГГУ, 

чл.-корр. РАН 

директор 

Издательства МГГУ 

академик РАЕН 

академик РАЕН 

академик РАЕН 

академик РАН 

академик РАН 

академик МАНВПI 

академик РАН 

профессор 

академик РАН 

академик РАН 

ВЫСШЕЕ ГОРНОЕ ОБРАЗОВАНИЕ 

r.r. Каркашадзе 

МЕХАНИЧЕСКОЕ 

РАЗРУШЕНИЕ 

ГОРНЫХ ПОРОД 

Допущено Мииистерство.w образования Российской Федерации в качестве учебного пособия для студентов высtиих учебных заведений, 

обучающихся по специальности «Физические 

процессы горного или нефтегазового производства» направления подготовки дипло.мированных специалистов <<Горное дела>> 

МОСКВА 

ИЗДАТЕЛЬСТВО 

МОСКОВСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО 

ГОРНОГО УНИВЕРСИТЕТА 

2 о о 4 

УДК 622.23.02 

ББК 33.24 

К23 

Экспертиза проведена 

Министерством образования Российской Федерации 

(гриф выдан 24.06.2003 г., письмо N!! 14-55-455гр/22) 

Книга соответствует «Гигиеническим требованиям к изданиям книжным 

для взрослых. СанПиН 1.2.1253-03>>, утвержденным 

Главным государственным санитарным врачом России 30 марта 2003 г. 

Рецензенты: 
• 
д-р техн. наук, nроф. С.Д. Викторов (зав. отделом nроблем геомеханики и разрушения горных nород ИПКОН РАН); 
• 
д-р техн. наук, nроф. С. В. Иляхин (кафедра «Горное дело и nроведение горно-разведочных выработок» Московского государственного геологоразведочного университета) 

Каркашадзе Г.Г. 

К 23 
Механическое разрушение горных nород: Учеб. nособие 

для вузов.- М.: Издательство Московского государственного 

·горного университета, 2004.-222 с.: ил. 
ISBN 5-7418-0301-6 (в пер.) 

Рассмотрены особенности деформирования и разрушения горных пород. Приведены критерии прочности. Изложены основы механики рассеянных повреждений, линейной механики разрушения и механизма роста трещин. Описаны основные эффекты процессов разрушения. Даны решения прикладных задач разрушения горных 

пород с применением критериев прочности, описания лабораторных 

работ по определению прочностных свойств пород. 

Для студентов высших учебных заведений, обучающихся по 

специальности «Физические процессы горного или нефтегазового 

производства)) направления подготовки дипломированных специалистов «Горное дело)). Может быть полезна аспирантам и преподавателям горных вузов и факультетов. 

ISBN 5-7 418-0301-6 

УДК 622.23.02 

ББК 33.24 

© Г.Г. Каркашадзе, 2004 
© Издательство МГГУ, 2004 
© Дизайн книги. Издательство 
МГГУ, 2004 

ВВЕДЕНИЕ 

При разработке полезных ископаемых открытым и подземным способами наиболее энергоемким технологическим 

процессом является разрушение горных пород. На реализацию 

процесса разрушения горных пород тратится свыше 20 % энергии, производимой во всем мире. В России каждый год извлекается из недр более одного миллиарда тонн горных пород. 

Такая масса извлекается при добыче полезных ископаемых, в 

строительстве при прокладке дорог, подготовке фундаментов наземных сооружений и др. Чтобы уменьшить энергетические затраты на разрушение, а также создать более прочные 

строительные материалы, необходимо знать прочностные параметры горных пород и минералов, закономерности их деформирования 
и 
разрушения. 
Для 
горных 
инженеровнефтяников представляет интерес поведение горных пород при 

высоких давлениях и температурах во время глубинного бурения. Инженеров-строителей интересует прочность, трещинастойкость, износостойкость, ударная прочность, морозостойкость природных строительных материалов (мрамор, известняк, 
гранит, 
песчаник 
и 
др.) 
и 
искусственных 
(бетоны, 

композиты, керамика, стек'ла и др.). При исследовании процессов горных работ горные инженеры изучают поведение пород 

при бурении скважин, формировании устойчивых уступов на 

карьерах, проходке горных выработок, взрывном дроблении, 

механическом дроблении и измельчении на обогатительных 

фабриках. По некоторым оценкам, при добыче и переработке 

полезных ископаемых свыше 80 % энергии расходуется на процессы дробления и измельчения горных пород на обогатительных фабриках, а остальные энергозатраты приходятся на другие технологические процессы. 

Таким образом, информация о прочностных характеристиках горных пород и механизме разрушения позволяет принимать рациональные технологические решения по энергои ресурсосбережению. Поэтому важность исследований в этой области трудно переоценить. 

1. 
СВЯЗЬ ПЕТРОГРАФИЧЕСКИХ 

И 
ПРОЧНОСТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК 

ГОРНЫХ ПОРОД 

В геологическом понимании горные породы это агрегаты, слагающие земную кору и состоящие из минералов. Каждая 

горная порода характеризуется своим минералогическим составом и имеет присущую ей структуру и текстуру. По пронехождению горные породы разделяют на три основные группы: 
l) изверженные- образовавшиеся из магмы в процессе 

ее охлаждения и затвердевания. Характерными свойствами 

изверженных пород являются высокая механическая прочность, низкая трещиноватость и отсутствие ползучести; 
2) осадочные образовавшиеся в результате отложения 

продуктов выветривания и разрушения различных горных 

пород, выпадения осадка из воды и жизнедеятельности организмов. Для осадочных пород, по сравнению с изверженными, свойственны высокая пористость и склонность к 

неупругим деформациям; 
3) метаморфические образовавшиеся из изверженных 

или осадочных пород под воздействием процессов сжатия в 

земной коре. Метаморфическим породам свойственны хрупкость и повышенная трещиноватость. 

У твердых горных пород существуют устойчивые прочностные связи между минеральными частицами. По характеру 

связей между частицами можно выделить кристаллическизернистые и зернисто-сцементированные породы. 

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. 

6 

Ниже даны в порядке возрастания значения пористости (%) 

для ряда пород: 

Граниты ................. 0, 1 ... 5 
Базальты .................. 0,6 ... 19 

Габбро .................... 0,6 ... 1 
Известняки ................ 1 ... 30 

Песчаники ............... 1 .. .4 
Алевролиты .............. 1 .. .40 

Диабазы ................ 0,8 ... 12 
Лёссы ........................ 40 ... 55 

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 вода представляет собой несколько слоев 

молекул, удерживаемых на поверхности твердых кристаллов 

молекулярными силами взаимодействия (силы ван-дер-ваальса). Глинистые минералы активно адсорбируют воду, что приводит к их расслоению и потере связности. Адсорбированная 

влагеемкость (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 вода не удерживается в твердом скелете молекулярными силами и перемещается в порсвом пространстве по 

законам фильтрации. 

Просушиванне при температуре до 11 О ос 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. 

Влажность оказывает влияние на механические свойства 

горных пород. Она может оказаться причиной заметного изменения прочностных и деформационных характеристик. Адсор
7 

бированная 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 тикеатропин 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 воданасыщенных 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. 

Изнер.жетrые 
Осш!очиые 

Базальт .................... 2750 ... 3200 
Доломит ............. 2600 ... 3200 

Габбро ..................... 2750 ... 3150 
Известняк ........... 2400 ... 3000 

Гранит и диорит ..... 2600 ... 2800 
Каменная соль ... 2120 ... 2220 

М 
еnuL1шрф11чесА·ие 

Кварцит железистый .... 2800 .. .4000 
Аргиллит ............ 2060 ... 2700 

Тальк ............................. 2700 ... 2800 
Мергель .............. 1840 ... 2740 

Кварцит ......................... 2650 ... 2700 
Алевролит .......... 1750 ... 2970 

Мрамор ......................... 2600 ... 2700 
Песчаник ............ 1530 ... 2950 

Серпентинит ................. 2500 ... 2650 
Антрацит ............ 1400 ... 2000 

Все горные породы разбиты трещинами различной протяженности и шириной раскрытия. Показатель трещиноватости 

характеризуется 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. 

8 

Для метаморфических пород обычно характерна развитая 

система трещин, элементы залегания которой совпадают с 

общим залеганием пород, а также две-три системы поперечных трещин. 

Элементом трещинной структуры осадочных пород является делимость в направлении напластования, связанная либо с 

чередованием различных осадков, либо с более или менее ориентированным в плоскости слоистости расположением удлиненных частиц и зерен. 

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. 1.1, 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. 1.1, б, в), на поверхности которых образуется мелко измельченный материал. 

о. 
8 -1 

_1 

! 
1 
-
Рис. 1.1. Образование трещин в зависимости от вида напряженного со
стояния: 
а- одноосное сжатие; б- неравномерное трехосное сжатие; в- сдвиг 

9 

Ниже дана характеристика трещин по степени их влияния на 

прочностные свойства массива. 

l. 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. Ирерывистые волосные трещины. В плоскостях 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 О, 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. Пространетвенная ориентировка и величина напряжений определяются 

гравитационными и тектоническими силами, действующими в 

массиве, а также геометрической конфигурацией технологических систем, которая обусловливает перестройку полей напряжений и концентрацию последних вокруг подземных выработок. Например, наиболее характерным видом напряженного 

состояния пород вокруг горных выработок является неравно
10