Бурение скважин - классификация горных пород. Разнообразные сланцы (некрепкие). Плотный мергель Смотреть что такое "Шкала Протодьяконова" в других словарях

КРЕПОСТЬ горных пород - это совокупность механических свойств горных пород, которые проявляются при проведении разнообразных процессов добычи и переработки полезных ископаемых. Понятие крепость - условное и увеличивается с возрастанием сил связей частиц между собой, отдельностями пород, а так же содержания прочных минералов в породе. При этом она уменьшается обычно при увлажнении.

Михаил Михайлович Протодьяконов (старший) сначала оценивал крепость горных пород, классифицируя их на основе предположения, что породы разрушаются из-за преодоления их прочности на сжатие. Эта классификация использовалась в дальнейшем очень широко. Согласно ей, горные породы делятся на 10 категорий от f=0,3 для слабых плывучих пород, таких как болотистый грунт, разжиженный лёсс и до f=20 для трудноразрушаемых пород, таких как сливные андезиты, джеспиллиты и другие. М.М.Протодьяконов (младший) предложил метод экспериментальной оценки коэффициента крепости, который основан на относительной оценки труда, который затрачивается на дробление пород грузом массой 2,4 кг, который свободно падает с высоты 0,6 м (ГОСТ 21153.1-75).

В настоящее время методы разработки полезных ископаемых предполагают использование сжимающих, скалывающих и растягивающих усилий, которые являются более целесообразными. Крепость же при использовании таких методов для оценки технико-экономических характеристик разделяется на пять классов по пять единиц крепости в каждом (см. таблицу).

Для характеристики крепости в этом случае служит показатель трудности разрушения пород П р:

Пр=5.10-2(s cж + sp + tcдв) + 5.10-5g,

где 5.10-2 — эмпирический коэффициент (МПа-1);

5.10-5 — эмпирический коэффициент (м 3 /Н);

s cж, sp, tcдв — соответственно, пределы прочности на сжатие, растяжение и сдвиг (МПа);

g — объёмный вес (Н/м 3).

Чтобы нормировать и рассчитывать различные машины и механизмы в горном деле используют, в основном, такие критерии, как дробимость, буримость, взрываемость горных пород и т.д.

Вконтакте

Одноклассники

В своей трудовой деятельности я часто сталкиваюсь с горно-геологическими прогнозными паспортами, где наиболее ценной для меня информацией является характеристика пород. Кто-то смотрит нарушения, водоприток, профиль, а мне для расчета нужны мощность и прочность пород на сжатие. Так вот, идея этой записи возникла, когда вместо прочности пород, я получил коэффициент крепости по М.М. Протодьяконову. Здесь я хочу рассказать, что вообще такое коэффициент крепости, как он рассчитывается и как из него получить прочность пород на сжатие.

Крепость горных пород - характеристика сопротивляемости пород их добыванию - технологическому разрушению.

Это понятие крепости введено проф. М.М. Протодьяконовым, который для количественной её оценки предложил коэффициент крепости f , в первом приближении пропорциональный пределу прочности породы при сжатии. Им была разработана шкала горных пород по крепости, в соответствии с которой все горные породы подразделены на 10 категорий.

В простейшем случае крепость горных пород можно рассчитать по формуле:

$$f=\sigma_{сж} \times 10^{-7}$$

где: σ сж - прочность пород на сжатие, Па

Более точно связь между σ сж и f в области больших значений σ сж может быть выражена эмпирической формулой:

$$f=0,33 \times 10^{-7} \sigma_{сж} + 0,58 \times 10^{-3} \sqrt{ \sigma_{сж}}$$

Существуют и другие формулы взаимосвязи коэффициента крепости пород с их прочностными параметрами. Например, формула Л.И. Барона:

$$f=\frac{\sigma_{сж}}{30} + \sqrt{ \frac{ \sigma_{сж}}{3}}$$

Здесь σ сж измеряется в МПа, что несколько удобнее, ведь на практике геологи дают характеристику пород, где прочность представлена в этих единицах.

Формула Л.И. Барона взята из книги 1972 года, σ сж в ней выражалась в кгс/см 2 , но с переходом на систему СИ использование этих единиц не рекомендуется, поэтому формула претерпела незначительные изменения.

Теперь пора вернуться к вопросу, с которого началась эта запись. Как же получить из коэффициента крепости прочность породы на сжатие σ сж .

Если необходимо узнать примерный предел прочности, то тут все просто, умножаем f на 10, получаем σ сж в МПа.

Но если мы захотим воспользоваться эмпирическими формулами f , тут могут возникнуть сложности, т.к. просто подставить значение коэффициента крепости и из него получить прочностную характеристику не получится.

В работе А.С. Танайно представлены формулы для трех интервалов в пределах 1 ≤ f ≤ 20 по которым можно рассчитать σ сж :

Честно говоря, я не стал использовать эти формулы. Конечно я их проверил. При подстановке граничных значений интервалов f получаем σ сж , которая отличается всего на 0,4 МПа в 1 и 2, 2 и 3 интервалах.

В итоге для нахождения σ сж я воспользовался функцией MS Excel - Подбор параметра. С моей точки зрения это самый очевидный и правильный вариант определения прочности породы на сжатие через крепость f .

Проблема аналитического определения горного давления, действующего на конструкции подземных сооружений, исключительно сложна вследствие многообразия природных и производственных факторов, влияющих на его величину и характер распределения. Существует много различных теорий горного давления, основанных на весьма разнообразных предпосылках и поэтому дающих удовлетворительные результаты в весьма узких пределах, соответствующих законности этих предпосылок.

Наибольшее значение для практики имеют теории, базирующиеся на предположении об образовании над выработкой свода естественного равновесия в соответствии с описанным выше процессом изменения напряженного состояния вокруг выработки.

Вертикальное горное давление создается весом вывала породы, отделившегося от этого свода.

В практике проектирования в Советском Союзе распространена теория проф. М.М. Протодьяконова, предложенная им для широкого диапазона пород — от слабых до крепких скальных. В качестве объединяющей их характеристики в этой теории принят коэффициент f крепости, являющийся кажущимся коэффициентом трения, т.е. тангенсом угла внутреннего трения, определенного с учетом сцепления с между частицами породы. Кажущийся коэффициент трения равен отношению касательного τ и нормального σ напряжений на контакте между частицами породы в момент предельного равновесия, т.е.

,

где φ — действительный угол внутреннего трения породы.

Из рассмотрения общего выражения для f (для связных пород) можно сделать вывод, что в сыпучих породах (с = 0) он равен tgφ .

В скальных породах истинное сцепление с определяется силами молекулярного сцепления. В этом случае проф. М.М. Протодьяконов рекомендует определять коэффициент крепости породы в зависимости от ее кубиковой прочности R (кгс/см 2) на раздробление:

На основании наблюдений за поведением крепей и обобщения обширного опыта проведения горных выработок проф. М.М. Протодьяконовым предложена классификация пород по крепости (см. СНиП III-Д.8-62). В сокращенном виде эта классификация приведена в табл. 4. В соответствии с ней породы делятся на десять категорий (от I до X), для которых коэффициент крепости изменяется от 20 до 0,1.

Таблица 4

Характеристика пород (по М. М. Протодьяконову)

Принятие в качестве универсальной характеристики коэффициента f крепости породы эквивалентно отождествлению всех пород с сыпучими телами, имеющими условный угол внутреннего трения

Arctg f .

В сыпучих телах в стенах выработки образуются плоскости сползания, наклоненные под углом (45° — ) к вертикали (рис. 35). Вследствие этого расширяется зона нарушения окружающих выработку горных пород. На уровне верха обделки пролет этой зоны

,

где b — пролет выработки с учетом перебора, принимаемого в зависимости от метода разработки породы в пределах от 5 до 15 см с каждой стороны выработки (большие значения перебора соответствуют применению взрывного способа работ);

h — высота выработки.

Над выработкой и призмами сползания образуется вывал, верхняя граница которого носит название свода давления.

Выше свода давления находится несущий свод, прочность которого должна быть достаточной для того, чтобы выдержать давление вышележащих более слабых пород.

Свод давления (см. рис. 35), рассматриваемый как тонкая арка, составленная из частиц сыпучего тела, может находиться в равновесии под действием вертикальной нагрузки р , принимаемой равномерно распределенной, при совпадении кривой давления с осью свода. Очевидно, что при принятой нагрузке свод давления должен быть очерчен по квадратной параболе.

Рис. 35.

Условием работы свода на центральное сжатие являются уравнения:

ΣM A = 0;

.

.

Условием устойчивости пят свода от сдвига служит неравенство

Если ввести величину запаса устойчивости пят свода Δ = τh 1 пропорциональную высоте свода давления, получим:

;

.

Высота свода давления, образующегося над выработкой, определяется из условия максимума запаса устойчивости пят свода, чему соответствует равенство

.

Отсюда высота свода давления

Исследуя вторую произвольную при , нетрудно убедиться, что , т.е. полученная высота свода давления действительно соответствует максимуму Δ .

Интенсивность q вертикального горного давления по теории М.М. Протодьяконова определяется как произведение ординаты квадратной параболы на объемный вес пород, т.е.

q = γ(h 1 - y ) .

Как видно из приведенного вывода, формула (10) дает значение высоты свода давления, образующегося над незакрепленной выработкой и, следовательно, максимальную интенсивность горного давления, соответствующую гипотезе сводообразования. К недостаткам формулы проф. М.М. Протодьяконова относятся: прямолинейная зависимость высоты свода от пролета выработки, тогда как в действительности в малых выработках давление падает быстрее уменьшения пролета; невозможность применения формулы в неоднородных напластованиях; трудность количественной оценки коэффициента крепости породы, который должен приниматься с учетом степени трещиноватости и обводненности породы.

В основу этой классификации положен коэффициент крепости горных пород f , который характеризует прочность гор-
ных пород на раздавливание при одноосном сжатии. При-
нято, что порода с прочностью на раздавливание 100 кгc/см 2 (9,8×10 6 Н/м 2) имеет коэффициент крепости, равный единице. Таким образом, порода, обладающая прочностью, например, 1000 кгс/см 2 (9,8 × 10 7 Н/м 2), имеет коэффициент крепости по классификации проф. М.М. Протодьяконова:

т.е. коэффициент крепости показывает, во сколько раз данная порода крепче другой, крепость которой принята за единицу.

Проф. М.М. Протодьяконов считал, что коэффициент крепости характеризует породу во всех производственных процессах, т.е. если данная порода крепче другой в некоторое количество раз, например, при бурении, то она, как правило, во столько же раз крепче ее и при других производственных процессах, например, при взрывании.

Классификация проф. М.М. Протодьяконова (табл. 1.2) имеет 10 категорий (от I до X), часть из которых разбита на подкатегории (III-VII). Породы самые крепкие относятся к I категории, самые слабые - к Х категории. Каждой группе пород соответствует коэффициент крепости от 0,3 до 20. Эта классификация до настоящего времени на многих горно-добывающих предприятиях стран СНГ применяется для ориентировочной оценки пород, а также при укрупненных проектных и сметных расчетах.

Таблица 1.2

Классификация пород М.М. Протодьяконова

Окончание табл. 1.2

Для оперативного норматирования классификация пород проф. М.М. Протодьяконова непригодна. Для этих целей пользуются классификациями по буримости и взрываемости.

Единая классификация горных пород по буримости

Специальной комиссией при бывш. ИГД АН СССР на основе исследований проф. А.Ф. Суханова разработан проект единой классификации по буримости. Буримость пород в этой классификации характеризуется чистой скоростью бурения шпура при следующих стандартных условиях опыта: тип бурильного молотка ПР-19 (ПР-22); давление сжатого воздуха ¾ 4,5 кгс/см 2 (0,45 МПа); характеристика бурового инструмента: диаметр головки бура ¾ 42 мм; форма лезвия бура ¾ крестовая; угол
заострения лезвия ¾ 90°; длина штанги ¾ 1 м; глубина бурения ¾ до 1 м.

В случае проведения опыта при условиях, отличных от стандартных, вводятся соответствующие поправочные коэффициенты. После определения скорости бурения по классификации находится наиболее близкая величина табличной скорости и порода относится к этому классу. На этом принципе составлено большое количество классификаций для определенных условий рудников, карьеров, бассейнов (табл. 1.3).

Параллельно с созданием классификаций по скорости бурения проводилась классификация пород по энергоемкости бурения для определенных типов буровых машин. Преимущество таких классификаций в том, что энергоемкость позволяет оценить, кроме буримости, эффективность применяемого способа (машины, станка), так как чем меньше энергоемкость, тем более эффективно реализуется процесс разрушения породы и удаления продуктов разрушения с забоя. За меру эффективности принято значение энергоемкости а :

где А ¾ затраты энергии на бурение, А = Nt ; N ¾ потребляемая мощность, кВт; t ¾ время работы машины, станка при выбуривании объема породы V п .

Одна из первых таких классификаций была составлена в
1867 году для бурения скважин на карьерах Колывано-Вос-кресенских заводов (Урал). После широкого распространения для бурения взрывных скважин ударно-канатных станков Я.Б. Зайдманом и П.П. Назаровым в 30-х годах была разработана классификация пород по энергоемкости для этого способа бурения. Проф. И.А. Тангаевым разработана классификация по энергоемкости применительно к шарошечному способу бурения. При этом им показано, что на энергоемкость влияют прочность и трещиноватость пород, т.е. чем более трещиновата порода, тем меньше энергоемкость ее бурения, но тем она легче разрушается при взрыве и более производительно грузится экскаваторами. Таким образом, И.А. Тангаеву удалось по энергоемкости шарошечного бурения оценить взрываемость пород в обуренном объеме блока, чего не удавалось сделать по другим классификационным критериям. Аналогичную информацию о свойствах обуриваемого массива (прочность и трещиноватость) можно получить по чистой скорости бурения при определенных режимах (прочность) и уровню низкочастотных вибраций бурового става (трещинова-тость). Указанная методика разработана в МГИ.

Классификации пород по взрываемости основаны на определении величины удельного расхода определенного ВВ при стандартных условиях взрывания. При этом в результате взрыва порода должна разрушаться на куски определенной крупности.

В настоящее время на многих рудниках и карьерах разработаны местные классификации массивов пород по взрываемости, в основу которых положены свойства массивов: трещиноватость и прочность отдельностей, наиболее существенно влияющие на расчетный удельный расход ВВ. Сравнительный анализ таких классификаций показывает, что в каждой из них имеются легковзрываемые, трудновзрываемые и весьма трудновзрываемые массивы пород. Иногда в классификации вводятся промежуточные классы выше средней взрываемости и т.д. Сравнение одинаковых по характеристике взрываемости массивов показывает, что расчетный удельный расход в них может отличаться в 2 и более раза (например, для трудновзрываемых массивов от 0,42 до 0,850 кг/м 3 и т.д).

Объективное сравнение взрываемости пород по таким «местным» классификациям невозможно. Поэтому МГИ совместно с ВНИИцветметом (авторы Б.Н. Кутузов и В.Ф. Плужников) разработана общая классификация массивов пород по взрываемости для карьеров, исходя из стандартных условий проведения ее оценки. За стандартные условия проведения опытных взрывов приняты: высота уступа 12-15 м, угол откоса 65-70°, диаметр скважин 243-269 мм, ВВ ¾ граммонит 79/21; схема взрывания многорядная, КЗВ с замедлениями по диагоналям, величина перебура 2 м, величина забойки 6 м.

Шкалам Протодьямконова - шкала коэффициента крепости горной породы.

Разработана в нач. 20 в. Является одной из первых классификаций пород. Основывается на измерении трудоемкости их разрушения при добывании.

Коэффициент крепости f по шкале проф.

Таблица 1. Коэффициент крепости f по шкале проф. Примечание. Характеристика пород с VIIa до Х категорий опущена.

Протодьяконов предполагал положить подобную классификацию в основу оценки труда рабочего при добыче угля и руд, нормирования труда. Он полагал, что при любом методе разрушения породы и способе её добычи, возможно оценить породу по усредненному коэффициенту добываемости. Если один из двух типов пород более трудоемок при разрушении, например, энергией взрыва, то порода будет более крепкой при любом процессе её разрушения, например, зубком комбайна, кайлом, лезвием головки бура при бурении и т. д.

При разработке подобной шкалы ввел понятие крепость горной породы. В отличие от принятого понятия прочность материала, оцениваемой по одному из видов напряженного её состояния, например, временном сопротивлении на сжатие, на растяжение, на кручение и т. д., параметр крепость позволяет сравнивать горные породы по трудоемкости разрушения, по добываемости. Он полагал, что с помощью этого параметра возможно оценить совокупность действующих при разрушении породы различных по характеру напряжений, как это имеет место, например, при разрушении взрывом.

разработал шкалу коэффициента крепости породы. Одним из методов определения этого коэффициента было предложено испытание образца породы на его прочность на сжатие в кг/см2, а значение коэффициента определялось как одна сотая временного сопротивления на сжатие.

Этот метод достаточно хорошо коррелирует со шкалой крепости, предложенной для пород различной крепости угольной формации, пород средней крепости, но мало пригоден при определении этим методом коэффициента крепости очень крепких пород. Шкала крепости ограничивается коэффициентом 20, т. е. породами с временным сопротивлении на сжатие 200 кг/см2, а у сливного базальта, например, этот параметр равен 300 кг/см2. Тем не менее, в Советском Союзе шкала крепости имела широкое применение при оценке трудоемкости разрушения горной породы и используется до настоящего времени. Она удобна для относительной оценки крепости горной породы при ее разрушении при помощи .

Метод относительной оценки горной породы по крепости, трудоемкости при её разрушении имеет, как отмечалось многими, недостатки, за рубежом им не пользуются, но без него не обходятся в Советского Союза и России.

Коэффициент крепости пород по в системе СИ рассчитывается по формуле:

где ус - предел прочности на одноосное сжатие [МПа].