ПО КРЕПОСТИ (ШКАЛА ПРОТОДЪЯКОНОВА) – ГРУППА КОМПАНИЙ СКАРН

Глубинные
(интрузивные) горные породы

Магматические
породы, образующиеся в различной геологи­ческой обстановке, отличаются специфическими
признаками, к которым прежде всего относятся форма магматических тел и их
взаимоотношения с вмещающими породами.

Особенности
строения горных пород, зависящие от условий образования, выражаются в
структурных и текстурных призна­ках.

Структура определяется степенью кристалличности и разме­рами
зерен, а также формой и взаимными отношениями состав­ных частей породы.

При
медленном остывании магмы в глубинных условиях воз­никают полнокристаллические
структуры. По размерам зерен среди кристаллических пород выделяют:  
крупнозернистые (средний размер зерен более 5 мм), среднезернистые (1-5 мм) и
мелкозернистые (0,5-1 мм), а также равномернозернистые и неравномерно-зернистые
структуры (рис. 2).

Рис. 2. Типы структур (схемы):

а) неравномернозернистая; б) равномернозернистая

Текстура – совокупность признаков, определяемых расположе­нием и
распределением составных частей породы относительно друг друга в занимаемом ими
пространстве. Подавляющее боль­шинство магматических пород характеризуется
массивной тек­стурой.

Следствием
медленного охлаждения магмы является ряд об­щих свойств для разных глубинных
горных пород: весьма малая пористость и, следовательно, большая плотность и
высокая прочность. Кроме того, в связи с очень малой пористостью эти породы
обычно обладают весьма низким водопоглощением, мо­розостойкостью и сравнительно
высокотеплопроводны.

Средние
показатели важнейших строительных свойств та­ких пород: прочность при сжатии –
100-300 МПа; плотность -2600-3000 кг/м3; водопоглощение – меньше 1%
по объему; тепло­проводность – около 3 Вт/(м·°С).

Граниты обладают благоприятным для строительного камня
минеральным составом, отличающимся высоким содержанием кварца (25-30%),
натриево-калиевых шпатов (35-40%) и плагиок­лаза (20-25%), обычно небольшим
количеством слюды (5-10%) и отсутствием сульфидов.

Необходимо
отметить, что в каменных материалах вследствие хрупкости сравнительно легко
могут появляться тонкие (волосные) местные трещинки – от взрывов при добыче, от
ударов, рез­ких колебаний температуры и т.п. Эти трещинки оказывают
сравнительно небольшое влияние на предел прочности при сжа­тии, но могут
значительно понизить прочность на растяжение.

Одним
из важнейших свойств гранитов является также малая пористость, не превышающая
1,5%, что обуславливает водопо­глощение около 0,5% (по объему). Поэтому
морозостойкость их высокая. Огнестойкость гранита недостаточна, так как он рас­трескивается
при температурах выше 600 °С вследствие поли­морфных превращений кварца.
Гранит, так же как и большинст­во других плотных магматических пород, обладает
высоким со­противлением истиранию.

Граниты
весьма разнообразны по цвету, зависящему в основ­ном от окраски полевых шпатов,
которые могут быть белыми, серыми, желтыми, розовыми, красными. Различные
сочетания отдельных компонентов и изменение структуры обуславливают
разнообразие цветов, оттенков и декоративного рисунка грани­тов, поэтому
граниты являются прекрасным облицовочным де­коративным материалом.

В связи с
высокой прочностью на сжа­тие, морозостойкостью граниты применяют для защитной
обли­цовки набережных, устоев мостов, цоколей зданий, а также в ка­честве щебня
для высокопрочных и морозостойких бетонов. Кроме того, благодаря значительной
кислотостойкости, граниты применяют в качестве кислотоупорной облицовки.

Из
всех изверженных пород граниты наиболее широко исполь­зуют в строительстве, так
как они являются самой распростра­ненной из глубинных магматических пород.
Остальные глубин­ные породы (сиениты, диориты, габбро и др.) встречаются и при­меняются
значительно реже.

Сиениты. Горные породы группы сиенитов занимают около 2,6%
магматических пород. Породы эти окрашены в розовые, серые и зеленоватые тона,
что зависит от цвета полевых шпатов. Сиениты состоят из калиевых (50-70%) и
натриевых полевых шпатов (10-30%), цветных минералов (10-20%).

Гранодиориты менее распространены, чем граниты, и отлича­ются от
них меньшим содержанием кварца (20-25%), повышен­ным количеством цветных
минералов (15-20%), в составе которых преобладает роговая обманка, поэтому эти
породы темнее грани­тов.

В гранодиоритах всегда присутствует полевой шпат
(45-50%). Гранодиориты по механической прочности уступают гранитам, что связано
с меньшим содержанием кварца. Подобно гранитам, они находят в строительстве самое
разнообразное применение от бута и щебня до облицовочного и скульптурного
камня.

Диориты и кварцевые диориты. Это породы серого цвета; со­стоят
они из плагиоклаза (65-70%) и роговой обманки, иногда вместе с пироксенами или
биотитом, составляющими в сумме около 25-30%. Структура породы
равномернозернистая, средне или мелкозернистая. Текстура массивная или
пятнистая, что обу­словлено наличием обособлений (шлиров), обогащенных темно­цветными
минералами.

Кварцевые диориты характеризуются присутствием кварца в
количестве 5-20% и меньшим содержанием роговой обманки. Структура и текстура
аналогичны диоритам.

Физико-механические
свойства диоритов характеризуются следующими показателями: плотностью – 2,9
кг/м3, пределом прочности при сжатии 180-240 МПа. Наиболее прочны
диориты с мелко- и среднезернистой структурой, массивной текстурой и с
повышенным содержанием роговой обманки.

Габброиды. Среди габброидов важнейшими являются габбро и
анортозиты.

Габбро – порода в свежем состоянии темно-серого или почти
черного цвета, что объясняется темной окраской плагиоклазов и высоким
содержанием цветных минералов. В результате вторич­ных изменений плагиоклазы
приобретают светло-серый и зелено­вато-серый цвет.

Типичное габбро состоит
примерно из равного количества натриево-кальциевого шпата и моноклинного пирок­сена.
В очень малых количествах в габбро могут присутствовать оливин, ромбический
пироксен, роговая обманка, биотит. Посто­янными компонентами габброидов
являются магнетит и титано-магнетит.

Анортозиты представляют собой темно-окрашенные породы, состоящие
почти из одного натриево-кальциевого полевого шпа­та – Лабрадора. Эти породы благодаря
иризирующему свойству (иризация – яркий цветной отлив на гранях или плоскостях
спай­ности Лабрадора) применяют в строительстве в качестве облицо­вочного
камня.

Для
пород группы габбро характерна плотность 2,9-3,0 кг/м3, большая
прочность (при сжатии 200-300 МПа) и достаточно вы­сокая стойкость против
выветривания.

Красивый
вид и хорошая полируемость позволяют применять наиболее декоративные
разновидности габбровых пород и лабрадориты с синим оттенком для облицовки
памятников (памят­ник неизвестному солдату в Москве) и ряда других выдающихся
сооружений.

Перидотиты – черные породы, иногда с зеленоватым оттенком, обычно
среднезернистой структуры. Текстура массивная, нередко пятнистая или полосатая.
В составе перидотитов присутствуют оливин в количестве 30-70% и пироксены
70-30%. Используются Для получения щебня.

Излившиеся (эффузивные) горные породы:

Магматическая
порода, образовавшаяся при кристаллизации магмы на небольших глубинах и
занимающая по условиям зале­гания и структуре промежуточное положение между
глубинными и излившимися породами. При кристаллизации магмы в приповерхностных
условиях образуются полнокристаллические неравномернозернистые и
неполнокристаллические структуры.

Среди
неравномернозернистых структур выделяют порфировидные и порфировые структуры.

Порфировидные структуры обусловлены наличием относительно крупных
кристаллов на фо­не полнокристаллической основной массы породы. Порфировые
структуры характеризуются наличием хорошо образованных кристаллов – порфировых
“вкрапленников”, погруженных в стек­ловидную основную массу породы.

Структура
– существенный признак, определяющий физико-механические свойства породы.
Наиболее прочными являются равномернозернистые породы, тогда как породы такого
же ми­нерального состава, но крупнозернистой порфировидной струк­туры быстрее
разрушаются как при механическом воздействии, так и при резких колебаниях
температур.

Из
магматических пород в строительстве наиболее широко применяют кварцевые и
бескварцевые (полевошпатовые) порфи­ры. Кварцевые порфиры по своему
минеральному составу близки к гранитам. Прочность, пористость, водопоглощение у
порфиров в общем сходны с показателями этих свойств, присущими грани­там. Но
порфиры более хрупки и менее стойки вследствие нали­чия крупных вкраплений.

Бескварцевые (полевошпатовые) порфиры по своему составу
близки к сиенитам, но в связи с иным генезисом обладают худ­шими
физико-механическими свойствами.

Излившиеся горные породы образовались в
результате излия­ния магмы, ее охлаждения и застывания на поверхности земли,
поэтому в большинстве случаев они состоят из отдельных кри­сталлов, вкрапленных
в основную мелкокристаллическую, скрытокристаллическую и даже стекловатую
массу.

Излившиеся
породы в результате неравномерного распределе­ния минеральных компонентов
сравнительно легко разрушаются при выветривании и под воздействием внешних
условий, а также обнаруживают анизотропность механических свойств.

Различают
эффузивы: излившиеся плотные и излившиеся по­ристые. К плотным
излившимся породам относят трахиты, липа­риты, андезиты, базальты, диабазы.

Трахиты. По своему минеральному и химическому составу трахиты
схожи с сиенитами, но более пористы. Поэтому предел прочности при сжатии
трахитов невысок (60-70 МПа), а морозо­стойкость ниже. чем у сиенитов. Трахиты
легко обрабатываются, но не полируются, используют как кислотоупорный материал
и отчасти в качестве строительного камня’.

Излившиеся
аналоги гранитов представлены липаритами. Среди излившихся пород кислого
состава широко распростране­ны вулканические стекла с полным отсутствием или
небольшим количеством кристаллов.

Некоторые
вулканические стекла после термической обработ­ки применяют в виде
“вспученного перлита”, обладающего рядом ценных свойств – малой
плотностью, большой пористостью, ма­лыми звуко- и теплопроводностью и т.д.

Андезиты – излившиеся аналоги диоритов – порода серого или
желтовато-серого цвета, порфировой структуры, с плотной ос­новной массой.
Андезиты содержат плагиоклазы, роговую об­манку. некоторые пироксены и биотит.
Структура может быть неполнокристаллическая или стекловатая, текстура –
массивная или пористая.

Физико-механические свойства сходны со свойст­вами
базальтов. Плотность андезитов – 2700-3100 кг/м3, предел прочности
при сжатии – 140-250 МПа. Андезиты, содержащие в своем составе большое
количество роговой обманки или пироксенов, отличаются более высокими
техническими качествами, чем биотитсодержащие разновидности.

Диабазы – порода мелкозернистая, по составу аналогичная габбро,
но с типичной диабазовой микроструктурой (структура полнокристаллическая
представлена кристаллами плагиоклаза, между которыми располагаются зерна
цветных минералов). Диа­базы имеют черный цвет, выветренные – зеленовато-серый.

Диа­базы отличаются высокой твердостью, прочностью (300-400 МПа на сжатие) и
вязкостью, что связано с большим содержанием в их составе железомагнезиальных
силикатов и свойственной этим породам структурой. Диабазы мало изнашиваются и в
виде брус­чатки применяются для мощения дорог и улиц.

К
пористым излившимся породам относят пемзу, вулканиче­ские туфы и пеплы,
туфолавы.

Пемза представляет собой пористое вулканическое стекло, об­разовавшееся
в результате выделения газов при быстром засты­вании кислых и средних лав. Цвет
пемзы белый или серый. По­ристость ее достигает 60%; стенки между порами
сложены стек­лом.

Твердость пемзы около 6, истинная плотность 2-2,5 г/см3,
плотность 0,3-0,9 г/см3 (пемза, плавает в воде). Большая порис­тость
пемзы обуславливает хорошие теплоизоляционные свойст­ва, а замкнутость
большинства пор – достаточную морозостой­кость.

Пемза служит заполнителем в
легких бетонах (пемзобето­не). Наличие в пемзе активного кремнезема позволяет
использо­вать ее в виде гидравлической добавки к цементам и извести. В качестве
абразивного материала пемзу применяют для шлифовки металлов и дерева, полировки
каменных изделий.

Месторождения
пемзы относятся к вулканическим и встреча­ются в областях распространения
действующих и потухших вул­канов.

Вулканичесщй пепел – наиболее мелкие частицы лавы, обломки
отдельных минералов, выброшенные при извержении вулкана. Происхождение пепла
объясняется размельчением лавы при вул­канических взрывах. Размеры частичек
пепла колеблются от 0,1 до 2 мм. Вулканический пепел является активной
минеральной добавкой.

Вулканические туфы – горные породы, образовавшиеся из твердых
продуктов вулканических извержений: пепла, пемзы и других, впоследствии
уплотненных и сцементированных. Цемен­том туфов является вулканический пепел,
глинистое или кремни­стое вещество, иногда с примесью продуктов разложения
пепла.

Туфолава – горная порода, занимающая промежуточное поло­жение
между пеплом и туфом. Образование туфолав связывают с быстрым вспениванием лав
при резком падении давления и свя­занным с этим дроблением вкрапленников и
стекла без разрыва сплошности лавового потока. В состав вулканических туфов и
ту­фолав входят SiO2, АlО3,
Fе2O3 и др.

Вулканические
туфы и туфолавы хорошо сопротивляются вы­ветриванию, мало теплопроводны и,
несмотря на большую по­ристость, морозостойки. Они легко обрабатываются,
распилива­ются, пробиваются гвоздями, шлифуются, но не полируются.

Типичным
представителем туфолав является артикский туф, добываемый в Армении. При
истинной плотности около 2,6 г/см3 плотность породы колеблется в
пределах от 750 до 1400 кг/м3. Соответственно пористость ее
составляет 70-46%.

Туф и туфолавы используют в виде пиленого камня
для кладки стен жилых зданий, устройства перегородок и огнестойких пере­крытий.
Используются они также в качестве декоративного кам­ня, чему благоприятствует
наличие туфов разных цветов – лило­вых, желтых, красных, черных и др.
Применяются туфы и в виде щебня для легких бетонов.

Классификация горных пород

Для практических целей классификация горных пород необходима при нормировании труда на отдельных видах работ. Почти все горные процессы – отделение породы от массива, ее перемещение, дробление, сортировка, проветривание выработок, управление горным давлением – зависят в первую очередь от свойств пород. Изучение физических свойств пород возможно только на основе обобщенной их классификации по физическим свойствам.

Первые попытки классифицировать горные породы относятся к концу XVIII в. В настоящее время известны классификации горных пород проф. М.М. Протодьяконова, проф. П.М. Цимбаревича, А.Ф. Суханова, «Союзвзрывпрома», Криворожская, «Главшахтостроя», по буримости, взрываемости и др.

Классификации горных пород в работе [44] разбиваются на две большие группы: общие и частные. В общих классификациях горные породы разбиваются на большие группы по генетическому принципу, признаку минерального состава, по признаку строения или по тому и другому одновременно.

Из частных классификаций можно указать:

• • классификацию горных пород по коэффициенту крепости (различают породы в основном по пределу прочности на сжатие);
• • классификации пород по пористости, плотности, твердости, электропроводности, теплопроводности и т. д.;
• • технологические классификации по какому-либо технологическому параметру (по буримости, взрываемости, экскавации, дробимости, обогатимости и др.).

Все общие классификации пород являются качественными, характеризующими минеральный состав и строение пород как основные факторы, от которых зависят физические свойства пород. Однако они не содержат в себе количественного признака. Частные классификации являются количественными классификациями, но они построены по отдельным (единичным) свойствам пород без учета тех качественных показателей из общих классификаций, которые по существу определяют все их свойства.

В настоящее время наибольшее распространение получили частные классификации.

Самой известной классификацией горных пород по крепости является шкала проф. М.М. Протодьяконова (табл. 16). Для того чтобы отнести породу к той или иной категории, необходимо знать коэффициент крепости. М.М. Протодьяконов разработал шкалу коэффициента крепости породы.

Этот метод достаточно хорошо коррелирует со шкалой крепости, предложенной М.М. Протодьяконовым для пород различной крепости угольной формации, пород средней крепости, но мало пригоден при определении коэффициента крепости очень крепких пород. Шкала крепости ограничивается коэффициентом 20, т. е. породами с временным сопротивлением на сжатие 2000 кг/см , а у сливного базальта, например, этот параметр равен 3000 кг/см2.

Тем не менее, в Советском Союзе шкала крепости М.М. Протодьяконова имела широкое применения при оценке трудоемкости горной породы и используется до настоящего времени. Она удобна для относительной оценки крепости горной породы при ее разрушении при помощи буровзрывных работ.

Сеж – предел прочности на одноосное сжатие образца горных пород, кг/см2,

или

ссж – предел прочности на одноосное сжатие образца горных пород, Па.

Коэффициент крепости пород по М.М. Протодьяконову в системе СИ рассчитывается по формуле

где осж – предел прочности на одноосное сжатие образца горных пород (определяется либо лабораторными методами, либо по известному значению коэффициента крепости горных пород /, по которым проводится выработка), МПа.

Все породы разбиты по крепости на десять категорий, пять из которых имеют подкатегории предела прочности данной породы при одноосном сжатии.

В дальнейшем в коэффициент крепости Л.И. Бароном была внесена поправка:

Таблица 16

Для сыпучих пород в качестве коэффициента крепости принимается числовое значение коэффициента внутреннего трения. Коэффициент крепости пород широко используется в инженерных расчетах, особенно при определении параметров буровзрывных работ.

Единая классификация по буримости (табл. 17) введена в действие с 1 января 1969 г. (разработана в Центральном бюро планирования и нормирования труда (ЦБПНТ) в 1968 г.). В ее основу положено время основного (чистого) бурения 1 м шпура в минутах в идентичных условиях для различных по физическим свойствам пород. Все горные породы разбиты на двадцать категорий.

Таблица 17

Испытания горных пород по буримости проводились при следующих стандартных технических условиях:

• • давление сжатого воздуха у перфоратора – 0,5 МПа;
• • коронки однодолотчатой формы (в трещиноватых породах – крестовой формы), армированные твердыми сплавами ВК-15, ВК-8В,

ВК-11В, с углом заострения 110° и диаметром 40 мм (для перфораторов ПТ-36 и КС-50 диаметр коронки бура принят 85 мм);

• бурение ручным молотком (перфоратором) с пневмоподдержки, соответствующей типу молотка, с промывкой шпуров водой.

Единая классификация горных пород по буримости для формирования горнопроходческих работ приведена в работе [45], ЕНВ 1977 г.

Торные породы 1—111 категорий не в мерзлом состоянии разрабатываются с помощью экскаваторов, бульдозеров, скреперов, отбойных молотков, мотобуров, мотоперфораторов, кайл, ломов, лопат; мерзлые породы I—111 категории разрабатываются после их предварительного рыхления теми же механизмами.

Рыхлить можно механическим или взрывным способом. Шпуры бурят пневмо- или электросверлами. Породы IV-IX (иногда XII) категорий разрабатываются с применением буровзрывных работ при бурении шпуров пневмо- или электросверлами, легкими пневматическими бурильными машинами (перфораторами); породы IX (ХН)-ХХ категорий – с применением буровзрывных работ при бурении шпуров перфораторами.

Сопоставление единой классификации горных пород и коэффициента крепости дано в табл. 18.

Таблица 18