Transcript 01Svojstva - Rudarsko Geološko Naftni

RUDARSKI I GEOTEHNIČKI STROJEVI
SVOJSTVA STIJENA
Rudarsko-geološko-naftni fakultet
Uvod
- izbor rudarskih strojeva ovisi u velikoj mjeri o radnoj sredini
- kod odabira rudarske mehanizacije, osim tehničkih značajki strojeva,
potrebno poznavati fizikalno-mehanička i tehnička svojstva stijene:
1. struktura i tekstura (mineraloško-petrografska svojstava)
2. gustoća (fizikalna svojstva)
3. vodoupijanje, bubrenje, ljepljivost (hidrofizička svojstva)
4. čvrstoća, tvrdoća, žilavost, krtost
(mehanička svojstva)
5. rastresitost, držanje (stabilnost) rastresitog materijala, otpor
prema bušenju, abrazivnost, otpor prema rezanju (glodanju) i
struganju (tehnička svojstva)
Struktura i tekstura stijene
Stijena
- sastavni dio litosfere, određenog načina geološkog pojavljivanja, strukture, teksture i
mineralnog sastava.
- mineralni agregat, sastavljen od jedne vrste minerala (monomineralna) ili više njih
(polimineralna).
Kamen
- prirodnim ili umjetnim putem odvaljeni (odlomljeni) dio stijene
Struktura stijene
-definirana stupnjem kristaliniteta, oblikom, veličinom i međusobnom vezom mineralnih
sastojaka  ovisi o načinu postanka stijene
Tekstura stijene
-prostorni raspored mineralnih sastojaka (način na koji su minerali zauzeli prostor u
stijenskoj masi)  posljedica je utjecaja vanjskih faktora za vrijeme i poslije nastanka
stijene
Klasifikacija prema načinu postanka, struktura i tekstura stijena
Stijene
Struktura
Zrnata
Tekstura
Homogena (masivna)
Porfirska
Fluidalna
MAGMATSKE
(ERUPTIVNE)
intruzivne (dubinske)
efuzivne (površinske)
žične (hipabisalne)
Ofitska struktura
Vezikularna
Klasifikacija prema načinu postanka, struktura i tekstura stijena
Stijene
Struktura
Klastična
Tekstura
Homogena (masivna)
psefitska
psamitska
siltitska
SEDIMENTNE
mehanički
sedimenti
pelitska
Kristalasta
Trakasta i slojevita
krupnokristalasta
sitnokristalasta
kemijski
sedimenti
afanitska
amorfna
oolitska i sferolitska
Brečasta
organogeni
sedimenti
Organogena
Klasifikacija prema načinu postanka, struktura i tekstura stijena
Stijene
Struktura
Blastična
Tekstura
Škriljava
-homeoblastična
zrnata
listićava
štapičasta
Čvorasta (okasta)
- heteroblastična
METAMORFNE
Klastična
-porfiroklastična
Tekstura gnajsa
-mortarska (brečasta)
-kataklastična
Homogena (masivna)
Svojstva stijena
Prema načinu pojavljivanja stijenske mase, odnosno ležišta mineralne sirovine:
masivne (kompaktne) stijene (nema pojave slojevitosti, škriljavosti i pukotina),
slojevite (sa slojnim plohama različite debljine),
raspucale (s pukotinama koje presjecaju stijensku masu u jednom ili više smjerova na
različitim razmacima)
plastične (poluvezane stijene, npr. glina)
sipke stijene (nevezane, npr. pijesak i šljunak).
Gustoća - ovisi o mineralnom sastavu i stupnju zbijenosti.
1. Specifična gustoća (s) - masa jedinice volumena čvrstih čestica stijene tj. potpuno zbijenog
materijala bez pora i šupljina, odnosno vode i zraka.
s = ms/Vs
s = 2,6 do 4,7 g/cm3, ovisno o vrsti stijene
2. Volumna gustoća () - ukupna masa jedinice volumena stijene sa svim njenim porama i
pukotinama (onakve kakva se nalazi u prirodi odn. ležištu).
 = m/V
Suha gustoća (gustoća suhe stijene, d = md/V) - masa jedinice volumena suhog uzorka, tj.
uzorka sa svim porama i šupljinama ali bez vode.
d = md/V
Gustoća
3. Nasipna gustoća (r) - masa jedinice volumena iskopanog materijala, tj. stijene u rastresitom
stanju.
r = /kr
kr – koeficijent rastresitost
Vr – volumen iskopanog materijala (materijala u rastresitom stanju)
V – volumen materijala u masivu
 – gustoća neporemećene stijenske mase
r – nasipna gustoća (t/m3)
Koeficijent rastresitosti
kr = Vr/V = /r
Vr > V (20 do 60%)
Specifična, volumna, nasipna gustoća i koeficijent rastresitosti materijala
Mineralna
sirovina
Nemetalne:
granit
dijabaz
vapnenac
pješčenjak
lapor
Metalne:
ruda Pb-Zn
ruda Fe
(hematit)
Ugljeni:
kameni
mrki (vlažan)
mrki (suh)
lignit
Specifična
gustoća
s
Volumna gustoća
(gustoća
neporem.stijene)

Koeficijent
rastresitosti
kr
2,65-2,75
2,85-3,15
2,70-2,90
2,60-2,76
2,56-2,86
2,53-2,63
2,80-3,00
2,65-2,85
1,65-2,19
1,63-2,63
1,6
1,7
1,7
1,5-1,9
1,25-2,0
1,6
1,7
1,6
1,15
1,3
4,23-4,73
4,01-4,62
2,6
1,43-1,65
1,5
2,8
1,75
1,5
1,6
0,87
0,87
0,75
0,65
1,3
1,2
Nasipna
gustoća
r = /kr
Hidrofizička svojstva
-vodoupijanje, bubrenje i ljepljivost
Primjer
– eksploatacija u glinovitom materijalu (glina upijanjem vode može
povećati svoj volumen i do preko 50%):
-zaglavljenje alata kod bušenja vodenom isplakom (mokro bušenje) zbog
povećanja volumena gline,
-promjena mase i volumena glinovitih materijala tijekom manipulacije kod
utovara, transporta i skladištenja
-pojava bubrenja (bujanja) materijala u podini, krovini ili bokovima
podzemnih prostorija
Hidrofizička svojstva
Ljepljivost direktno smanjuje kapacitet rudarskih strojeva ili povećava utrošak energije, a često i
jedno i drugo.
Primjer
-hvatanje (ljepljenje) materijala na transportnim trakama, valjcima i bubnjevima transportera s
beskonačnom trakom,
-sljepljivanje lanaca i grabilica kod grabuljastih transportera
-naljepljivanje materijala
-otežano kretanje vozila i strojeva na gumenim kotačima,
Mehanička svojstva stijena
Osnovna mehanička svojstva su: tvrdoća, čvrstoća, žilavost, krtost
Mehanička svojstva stijena
Tvrdoća
-
otpor koji stijena pruža prodiranju nekog drugog tvrđeg tijela
ovisi o mineralnom sastavu i djelomično strukturi stijene
najveću tvrdoću imaju stijene sa viskom sadržajem SiO2
kod rudarskih i geotehničkih radova tvrdoća stijene najviše dolazi do izražaja kod tzv. ripanja s
buldozerom
Mohs-ova skala
Mineral
Tvrdoća
talk
1
gips
2
kalcit
3
fluorit
4
apatit
5
ortoklas
6
kvarc
7
topaz
8
korund
9
dijamant
10
1) određivanje tzv. skleroskopske tvrdoće metodom odskoka po Shore-u
2) određivanje utisne tvrdoće ugljena po Sauberlich-u
Schmidtov čekić
Mehanička svojstva stijena
Čvrstoća stijene je otpor kojeg vanjske sile moraju savladati da bi došlo do sloma odnosno
razaranja stijene (tj. to je naprezanje pri kojem dolazi do sloma stijene).
Čvrstoća
(MPa)
Vrsta stijene
Granit
Dijabaz
Andezit
Pješčenjak
Mramor
Vapnenac
Dolomit
Sol
Ugljen
tlačna
vlačna
60-300
110-320
70-200
30-200
50-280
20-220
30-150
20-100
5-70
6-35
15-50
7-20
2-20
5-30
2-20
3-15
1-10
0,4-7
Mehanička svojstva stijena
Žilavost je otpor prema djelovanju dinamičkih sila (to je zapravo dinamička
čvrstoća), koji u rudarstvu dolazi do izražaja u procesima gdje sila djeluje na
stijenu u mahovima, diskontinuirano i pulzirajuće (npr. pri radu udarnih drobilica,
hidrauličkog čekića, te u manjoj mjeri kod rotornih bagera, bagera vedričara i
dinamičkih strugova za ugljen).
Krtost je suprotno svojstvo od žilavosti, tj. svojstvo materijala da ne pruža otpor
dinamičkom naprezanju i da do njenog sloma dođe bez prethodne deformacije.
Tehnička svojstva stijena
Rastresitost je osobina iskopanog ili odminiranog materijala da ima veći volumen nego
kada je bio u cjelini.
Povećanje volumena ovisi o strukturi, mineralnom sastavu, tvrdoći, čvrstoći, žilavosti i
najviše o stupnju usitnjenosti stijene odnosno postignutom granulometrijskom sastavu, a
izražava se koeficijentom rastresitosti, koji se određuje iz odnosa:
kr = Vr/Vm
gdje je:
Vr – volumen iskopanog materijala (materijala u rastresitom stanju)
V – volumen materijala u masivu
Kod dimenzioniranja utovarnih i transportnih sredstava, bunkera i odlagališta jalovine i
sirovine
Tehnička svojstva stijena
Držanje (stabilnost) materijala je sposobnost sipkih (nevezanih) materijala, odnosno
iskopanih ili odminiranih masa da se drže na ravnoj podlozi u obliku stošca bez pridržavanja sa
strana.
utovarač
buldozer
bager
bunker
=
tgo
kamion
ravna traka
vagon
užljebljena traka
h3
/o  0,7
o – statički kut unutrašnjeg trenja
 – dinamički kut unutrašnjeg trenja
Kut kojeg nasipani materijal tvori s ravnom (horizontalnom) podlogom naziva se prirodnim
kutem sipanja materijala i zapravo predstavlja kut unutrašnjeg trenja materijala
Tehnička svojstva stijena
• pirodni kut sipanja o veći je kod neklasiranog (dobro graduiranog) materijala
• pirodni kut sipanja (o) klasiranog materijala: 35-45˚
Tablica 5. Kut unutrašnjeg trenja za različite materijale
Vrsta materijala
Kut unutrašnjeg
trenja (˚)
bazalt
dijabaz
gabro
granit
dolomit
vapnenac
pješčenjak
gnajs
mramor
kvarcit
pijesak
šljunak
glina
pjeskovita glina
rovni ugljen (mekši)
antracit
Cu ruda
Fe ruda
48-50
50-55
10-31
45-60
22
35-50
27-35
31-35
35-50
26-60
20-35
35-40
15-45
30-50
35-37
27
37
37
Tehnička svojstva stijena
• Otpor prema bušenju
- otpor stijene prema razaranju prilikom bušenja,
- ovisi o fiz.-meh. svojstvima stijene, vrsti i obliku bušače krune, te režimu bušenja
a) Pasivni otpor prema bušenju (bušivost) – otpor stijene prodiranju bušaćeg alata, koji
ovisi o čvrstoći, tvrdoći i žilavosti stijene, a izražava se brzinom bušenja (mm/min)
B = L/t , (cm/min) ili (mm/min)
L – ukupna dužina izbušenih bušotina (cm)
t – čisto vrijeme bušenja (min).
b) Aktivni otpor prema bušenju – djelovanje stijene na bušaći alat (habanje - mehaničko
trošenje alata); pokazatelj izgubljena masa alata u (mg)
Kritični pritisak
- minimalni pritisak koji je potreban da bi bušaći alat mogao prodrijeti u stijenu pri rotacijskom
bušenju.
Tehnička svojstva stijena
• Otpor prema rezanju (rezivost)
- ovisi o mehaničkim svojstvima stijene (čvrstoći, tvrdoći i žilavosti)
- izražava se utrošenom energijom na jedinicu dobivene rude
- utrošak energije ovisi o rezivosti stijene, te vrsti, geometriji i
stanju istrošenosti reznog alata.
•
Otpor prema struganju
Razlike između otpora prema rezanju i otpora prema struganju:
1) kod rezanja putanja alata je pravolinijska ili (krivulja)
(ovisno o vrsti stroja i njegovog radnog organa), a kod struganja
samo pravolinijska;
2) brzine noževa su kod rezanja veće (približno 1,5-2,5 m/s) nego
kod struganja (cca. 0,3-0,5 m/min)
Klasifikacija stijena
1. klasična geološka (genetska) klasifikacija
– prema načinu postanka i mineraloškom sastavu stijena
2. inženjersko-geološke klasifikacije
– prema čvrstoći, bušivosti, abrazivnosti i sl.
– primjeri:
Klasifikacija stijena po čvrstoći prema M. M. Protođakonovu,
Klasifikacija
stijena
po
bušivosti
klasifikaciji (bivšeg) AN SSSR,
prema
jedinstvenoj
Klasifikacija stijena po abrazivnosti prema L. I. Baronu,
Klasifikacija stijena u tunelogradnji prema Bieniawskom,
i dr.
Klasifikacija stijena po čvrstoći
(prema M. M. Protođakonovu)
Jedinstvena klasifikacija stijena po bušivosti (AN SSSR)
Klasifikacija je izvedena na osnovi brzine bušenja standardnim bušaćim čekićem u standardnim uvjetima:
• ručni bušači čekić mase: 22 kg
• pritisak komprimairanog zraka 4,5  0,25 at
• automatsko potiskivanje
• dlijeto s jednim sječivom s umetkom od tvrde legure, promjera glave 42 mm i kutem oštrice 110º
• dubina bušenja: 1m (uz ispuhivanje bušotine)
Klasifikacija stijena
po abrazivnosti (prema L. I. Baronu)
Opis:
a RQD%
b trošnost stijene
c čvrstoća probnog tijela (MNm-2)
širina pukotina (mm)
kontinuitet pukotina
pritjecanje vode (lmin-1)
zalijeganje pukotina
Nepodgrađeni prostor (m)
d razmak pukotina (m)
e
f
g
h
vremenska postojanost nepodgrađenog prostora (sati)
Klasifikacija stijena za tunelogradnju (prema Z. T. Bieniawskom)