Показатель эквивалентной прочности горных пород

DOI: http://dx.doi.org/10.30686/1609-9192-2018-5-141-112-115
УДК: 622.023: 622.026

А.Б. Жабин, д-р техн. наук, проф., Тульский государственный университет, действительный член Академии горных наук (АГН), президент Тульского регионального отделения межрегиональной общественной организации Академия горных наук (ТРО МОО АГН)

Е.А. Аверин, канд. техн. наук, инженер-конструктор, ООО «Скуратовский опытно-экспериментальный завод» (Тула)

А.В. Поляков, д-р. техн. наук, проф., Тульский государственный университет, академический советник ТРО МОО АГН

Осуществление горных работ связано с высокой степенью вариативности внешних условий. При этом вариативность в основном связана с горно-геологическими факторами, в том числе физико-механическими свойствами горных пород, как основными детерминантами эффективности выполнения работ. Они определяют конструктивные особенности горных машин, их производительность и характер различных производственных процессов.

В последнее время область горной науки, занимающаяся изучением горных пород и полезных ископаемых как объектов разрушения и как исходных факторов при изучении сложных вопросов механики горных пород, в нашей стране практически не развивалась. Одновременно с этим за рубежом исследования в данном научном направлении продолжали набирать обороты. Как и в нашей стране, на Западе 1950–1980 гг. были периодом, когда было разработано множество показателей, характеризующих различные свойства горных пород и методов их определения [1]. В дальнейшем исследования развивались в нескольких направлениях:

- совершенствование существующих методов определения показателей физико-механических свойств [2] и установление корреляционных связей между ними [3];

- разработка интегральных показателей, учитывающих комплекс физико-механических свойств горных пород [4];

- разработка методов определения основных показателей этих свойств горных пород, основанных на численном моделировании, построении нейронных сетей и эволюционных алгоритмов, применении нечеткой логики и т.д. [5].

Особый интерес с практической точки зрения представляют исследования, касающиеся интегральных/комплексных показателей, поскольку на их основе удобно создавать простые эмпирические расчетные методики для определения эффективности использования средств механизации для ведения очистных и проходческих горных работ [6].

Среди множества комплексных показателей, характеризующих совокупность физико-механических свойств горных пород, разработанных за последние десятилетия, можно выделить следующие наиболее широко распространенные [6–8]: RMR(Rock Mass Rating), Q (Rock Mass Quality Index), RMi (Rock Mass index), RMBI (Rock Mass Brittleness Index).

С некоторыми оговорками этот список можно дополнить коэффициентом крепости горных пород по шкале М.М. Протодьяконова.

Этот коэффициент крепости получил широкое распространение в 1950–1960 гг. не только в России, но и за рубежом. Однако впоследствии он был вытеснен из обихода специалистов вновь разработанными критериями оценки прочностных свойств горных пород.

Рассмотрим подробнее остальные перечисленные интегральные/комплексные показатели физико-механических свойств горных пород.

Обзор основных зарубежных интегральных показателей физико-механических свойств горных пород

Показатель RMR Данный показатель был разработан Z.T. Bieniawski с целью классификации горных пород с учетом ряда присущих им признаков. Наиболее актуальная версия метода его определения датируется 1989 г. [9]. В его основе лежит следующая формула:

112 1где A1 – оценка горной породы по пределу прочности на сжатие; A2 – оценка по показателю (зарубежный аналог российского показателя «выход керна»); A3 – оценка по расстоянию между трещинами; A4 – оценка по состоянию трещин; A5 – оценка, учитывающая состояние грунтовых вод, B – оценка по ориентации трещин в пространстве.

С учетом существующих значений оценок по различным параметрам разработана классификация горных пород по показателю RMR, представленная в таблице.

Классификация горных пород по показателю RMR (Rock Mass Rating)

По мнению автора показателя RMRи основанной на нем классификации, главная его область применения – проектирование крепления в подземной добыче полезных ископаемых и строительстве.

Показатель Q

Показатель Q был разработан в Норвежском геотехническом институте [10], основываясь на обширной базе данных с проектов по строительству тоннелей. Он определяется по формуле

112 2

 

где Jn – оценка по количеству систем трещин в массиве; Jr – оценка по шероховатости трещин; Ja – оценка трещин по метаморфическому вытеснению; Jw – оценка, учитывающая грунтовые воды; SRF – оценка напряженного состояния массива. Значения этих оценок определяются по разработанной классификационной шкале [10].

Также как и для RMR, основное предназначение показателя Q – проектирование крепления в подземной добыче полезных ископаемых и строительстве тоннелей [11]. Кроме того, этот показатель следует использовать при ведении работ в условиях относительно устойчивых и крепких горных пород.

Показатель RMi

Показатель RMi был разработан А. Palmström в 1995 г. и впоследствии дорабатывался [12]. Для нетрещиноватых пород его значение определяется по следующей формуле:

112 3

В трещиноватых горных породах учитывается ослабляющий эффект трещин на прочность

112 4

где V – объем рассматриваемого блока породного массива; D – эмпирический коэффициент; jR, jL и jA – параметры, описывающие различные свойства трещиноватости, которые аналогичны соответственно , и у показателя Q[см. формулу (2)].

Коэффициент D определяется из выражения

112 5

Показатель не учитывает обводненность массива.

Показатель RMBI

Показатель RMBI был разработан с использованием данных о работе проходческих комбайнов фирмы Dosco на угольных шахтах Tabas (Иран) [7]. В его основе лежит следующая формула:

112 6

где σр – предел прочности горной породы на растяжение. В отличие от предыдущих показателей RMBI служит не для проектирования крепления, а для определения производительности по разрушению. В частности, производительность проходческих комбайнов на угольных шахтах Tabas определяется по эмпирической зависимости

112 7

Индекс детерминации этого выражения для указанных условий составляет 0,94, что является очень хорошим показателем.

Выводы по разделу

Рассмотренные показатели отражают свойства только одной горной породы, а потому пригодны на ограниченном участке конкретной горной выработки и не характеризуют совокупную сложность проекта. К тому же они разрабатывались с целью увеличения предсказательной способности математических моделей для прогнозирования эффективности ведения горных работ и/или более точного технико-экономического обоснования принимаемых технологических решений. То есть для использования специалистами, обладающими высокой квалификацией и пониманием специфики горной отрасли.

В связи с вышеизложенным возникает необходимость в достаточно простом, интуитивно понятном, легко интерпретируемом показателе, адекватно отражающем сложность ведения горнопроходческих работ. Данный показатель должен в первую очередь зависеть от физико-механических свойств горных пород, слагающих месторождение, в частности от прочностных характеристик и трещиноватости горного массива.

Показатель эквивалентной прочности

Поставленную задачу можно решить с использованием интегральной оценки сложности проекта проходки горной выработки [13]. Для ее получения вся выработка разбивается на относительно однородные по горно-геологическим условиям участки. Дается оценка сложности проходки каждого участка. Для этого каждому участку присваивается категория путем деления значения предела прочности на сжатие на 30 и округления полученной величины до ближайшего целого большего числа (если σсж > 270 МПа, то категория равна 9).

Затем осуществляется поправка категории по критерию трещиноватости горных пород на участке выработки с учетом следующего:

Монолитные породы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . +1

Слаботрещиноватые породы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . +1

Трещиноватые породы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ±0

Сильнотрещиноватые породы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . –1

Весьма и исключительно трещиноватые породы . . . –1

Оценка сложности всей выработки определяется как средневзвешенная по относительной протяженности сложности всех ее участков

112 8где CInt – интегральная оценка сложности всей выработки; i – номер участка; n – количество участков горной выработки; li – протяженность i-го участка; ci – оценка сложности i-го участка; L – протяженность всей выработки.

Значения показателя интегральной сложности могут иметь разброс от 0 до 11. В первом случае вся выработка состоит из слабых, прочностью до 30 МПа, сильно и весьма трещиноватых горных пород. Во втором – выработка состоит исключительно из весьма крепких, предел прочности на сжатие больше 270 МПа, монолитных или слаботрещиноватых пород. Реальные значения будут сильно напоминать привычные по повседневной жизни десятибалльные рейтинговые системы различных пользовательских сервисов, благодаря чему и обеспечивается интуитивная простота восприятия этого показателя.

При этом если умножить полученное значение интегральной оценки сложности на 30 (величину, на которую мы изначально делили предел прочности на сжатие), то получим усредненный прочностной показатель всей выработки с учетом степени индивидуального состояния (трещиноватости массива) отдельных ее участков (8).112 9 Этот показатель является эквивалентной прочностью горных пород.

Таким образом, на основании классического прочностного показателя, предела прочности на сжатие, с учетом индивидуальных особенностей трещиноватости горного массива на различных участках горной выработки разработан показатель эквивалентной прочности горных пород, представляющий собой усредненную комплексную оценку прочности пород по всей протяженности выработки. Данный показатель в силу своей простоты и легкой интерпретируемости рекомендуется использовать на этапе предварительной оценки проекта разработки месторождений, обоснования технологии ведения работ в конкретной выработке или на ее участке и т.д., когда использование классических прочностных критериев, в том числе комплексных, оказывается чрезмерно трудоемким и затягивает процесс принятия решений.

Ключевые слова: эквивалентная прочность, интегральная оценка, сложность проекта, трещиноватость, горные породы, комплексный показатель

Информационные источники:

1. Hucka V., Das B. Brittleness determination of rocks by different methods //International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences & Geomechanics Abstracts. 1974. Т. 11. 10. С. 389–392. doi: 10.1016/0148-9062(74)91109-7

2. Kýlýç A., Teymen A. Determination of mechanical properties of rocks using simple methods //Bulletin of Engineering Geology and the Environment. 2008. Т. 67. 2. С. 237. doi: 10.1007/s10064-008-0128-3

3. Khandelwal M. Correlating P-wave velocity with the physico-mechanical properties of different rocks //Pure and Applied Geophysics. 2013. Т. 170. 4. С. 507–514. doi: 10.1007/s00024-012-0556-7

4. Morelli G.L. Variability of the GSI index estimated from different quantitative methods //Geotechnical and Geological Engineering. 2015. Т. 33. 4. С. 983–995. doi:10.1007/s10706-015-9880-x

5. Prediction of the strength and elasticity modulus of granite through an expert artificial neural network/ Armaghani D., Tonnizam Mohamad E., Momeni E. и др. //Arabian Journal of Geosciences. 2016. Т. 9. 1. С. 48. doi: 10.1007/s12517-015-2057-3

6. Frough O., Torabi S.R., Yagiz S. Application of RMR for Estimating Rock-Mass–Related TBM Utilization and Performance Parameters: A Case Study //Rock Mechanics and Rock Engineering. 2015. Т. 48. 3. С. 1305–1312. doi:10.1007/s00603-014-0619-4

7. Ebrahimabadi A., Goshtasbi K., Shahriar K., Seifabad M.C. A model to predict the performance of roadheaders based on the Rock Mass Brittleness Index //Journal of the Southern African Institute of Mining and Metallurgy. 2011. Т. 111. 5. С. 355–364.

8. Palmström A. Combining the RMR, Q, and RMi classification systems //Tunnelling and Underground Space Technology. 2009. Т. 24. 4. С. 491–492. doi: 10.1016/j.tust.2008.12.002

9. Bieniawski Z.T. Engineering rock mass classifications. New York: John Wiley & Sons, 1989. 251 с.

10. Barton N., Lien R., Lunde J. Engineering classification of rock masses for the design of tunnel support //Rock mechanics. 1974. Т. 6. 4. С. 189-236. doi: 10.1007/BF01239496

11. Оценка устойчивости массива горных пород и выбор типа и параметров крепления выработок на Орловском полиметаллическом месторождении /Жирнов А.А., Абдрахманов С.У., Шапошник Ю.Н., Конурин А.И. //Горный журнал. 2018. 3. С. 51–57. Doi: 10.17580/gzh.2018.03.08

12. Palmstrцm A. Recent developments in rock support estimates by the RMi //Journal of Rock Mechanics and Tunnelling Technology. 2000. Т. 6. 1. С. 1–19.

13. Жабин А.Б., Аверин Е.А., Поляков А.В. Интегральная оценка сложности проекта проходки горных выработок //Уголь. 2017. 11 (1100). С. 60–63. doi:10.18796/0041-5790-2017-11-60-63

Журнал "Горная Промышленность" №5 (141) 2018, стр. 112