7.1.1. Коэффициент крепости

Из физических соображений следует, что должна существовать некая характеристика горной породы, которая отражает трудность ее разрушения различными способами (копанием, бурением, взрыванием и т.д.) и связана с образованием новых поверхностей. М.М. Протодьяконов старший назвал эту характеристику коэффициентом крепости. Общепринятое обозначение коэффициента крепости в горной практике - . М.М. Протодьяконов старший предложил несколько способов определения величины - . Не останавливаясь на рассмотрении всех способов (подробное изложение вопроса можно найти в монографии Л.И. Барона [6]), отметим один способ.

Если известен предел прочности породы при одноосном сжатии - , то коэффициент крепости по М.М. Протодьяконову вычисляется по формуле

, если  = МПа. (7.2)

В формуле (7.2) коэффициент крепости является безразмерной величиной. Причем величина - примерно соответствует углям средней степени метаморфизма (каменным углям), что позволяет рассматривать их в качестве эталона крепости.

Формулу (7.2) можно пояснить следующим образом. Возьмем в качестве грубой оценки работу разрушения в виде - , где - модуль упругости. В предыдущей главе было показано, что , где и - коэффициенты пропорциональности. Откуда и следует пропорциональность работы разрушения пределу прочности при одноосном сжатии или, что то же самое пропорциональность коэффициента крепости пределу прочности при одноосном сжатии.

Однако надо отметить дискуссионность формулы (7.2). С одной стороны возникает вопрос относительно необходимости введения новой характеристики, если она целиком определяется через известную величину; с другой стороны – насколько правомерна формула (7.2) как мера трудности разрушения породы. При ответе на первый вопрос следует обратить внимание на несколько разный физический смысл величин - и . Коэффициент крепости отражает процесс разрушения как дробление породы с образованием горной массы с неким гранулометрическим составом, предел прочности при одноосном сжатии – факт разрушения породы при достижении предельной нагрузки.

Относительно ответа на второй вопрос, надо заметить, что исторический анализ развития представлений о коэффициенте крепости показал многообразие мнений по поводу, как надо определять эту величину. Предлагалось множество вариантов выражения коэффициента крепости через предел прочности при одноосном сжатии, в частности, один из вариантов заключался в замене в делителе числа «10» на число «14». Некоторую законченность ответа на этот вопрос дал Л.И. Барон (1958г.). Он предложил использовать следующую формулу для определения коэффициента крепости

, если  = МПа. (7.3)

Формула (7.3) находится в хорошем согласии с классификацией горных пород по коэффициенту крепости, предложенной М.М. Протодьяконовым старшим (табл. 7.1).

Таблица 7.1

Шкала крепости по М.М. Протодьяконову (1926г.)

Категория горных пород	Степень крепости	Породы	f
I	В высшей степени крепкие породы	Наиболее крепкие, плотные и вязкие кварциты и базальты. Исключительные по крепости другие породы	20
II	Очень крепкие породы	Очень крепкие гранитовые породы. Кварцевый порфир, очень крепкий гранит, кремнистый сланец, менее крепкие, нежели указанные выше, кварциты. Самые крепкие песчаники и известняки	15
III	Крепкие породы	Гранит (плотный) и гранитовые породы. Очень крепкие песчаники и известняки. Кварцевые рудные жилы. Крепкий конгломерат. Очень крепкие железные руды	10
IIIа	То же	Известняки (крепкие). Некрепкий гранит. Крепкие песчаники. Крепкий мрамор, доломит. Колчеданы	8
IV	Довольно крепкие породы	Обыкновенный песчаник. Железные руды	6
IVа	То же	Песчанистые сланцы. Сланцевые песчаники	5
V	Средние породы	Крепкий глинистый сланец. Некрепкий песчаник и известняк, мягкий конгломерат	4
Vа	То же	Разнообразные сланцы (некрепкие). Плотный мергель	3
VI	Довольно мягкие породы	Мягкий сланец, очень мягкий известняк, мел, каменная соль, гипс. Мерзлый грунт, антрацит. Обыкновенный мергель. Разрушенный песчаник, сцементированная галька и хрящ, каменный грунт	2
VIа	То же	Щебенистый грунт. Разрушенный сланец, слежавшаяся галька и щебень, крепкий каменный уголь, отвердевшая глина	1,5
VII	Мягкие породы	Глина (плотная). Мягкий каменный уголь, крепкий нанос – глинистый грунт	1,0
VIIа	То же	Легкая песчанистая глина, лесс, гравий	0,8
VIII	Землистые породы	Растительная земля. Торф. Легкий суглинок, сырой песок	0,6
IX	Сыпучие породы	Песок, осыпи, мелкий гравий, насыпная земля, добытый уголь	0,5
X	Плывучие породы	Плывуны, болотистый грунт, разжиженный лесс и другие разжиженные грунты	0,3

Из анализа табл. 7.1 следует очевидная неравномерность изменения коэффициента крепости по различным категориям крепости. При этом категория крепости отражает величину - . Некоторые оценочные представления о связях между некоторыми физико-механическими параметрами пород и коэффициентом крепости можно получить из рис. 7.2. 

Из стандартизованных методов определения коэффициента крепости существует лишь метод толчения, который дает удовлетворительные значения для угля и поэтому будет рассмотрен ниже.

Коэффициент крепости характеризует общую разрушаемость пород. Когда речь идет о локальном воздействии на породу, например, о внедрении инструмента, то необходимо обращаться к контактной прочности породы. Контактная прочность и метод ее определения рассматривались в предыдущей главе.