CC BY
64
К ПРОБЛЕМЕ СОЗДАНИЯ КЛАССИФИКАЦИЙ В ГОРНОМ ПОРОДОВЕДЕНИИ
Виктор Николаевич Опарин
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт горного дела им.
Н.А. Чинакала СО РАН, 630091, Россия, Новосибирск, Красный проспект, 54, доктор физикоматематических наук, член корреспондент РАН, директор Института, тел. (383)217-05-36, email: oparin@misd.nsc.ru
Александр Савельевич Танайно
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт горного дела им.
Н.А. Чинакала СО РАН, 630091, Россия, Новосибирск, Красный проспект, 54, кандидат технических наук, заведующий лабораторией, тел. (383)334-88-80, e-mail: tanaino@misd.nsc.ru
Рассматривается состояние проблемы классификаций в горном породоведении и определяются направления их совершенствования. Приводится методика количественной оценки структурных свойств горных пород, предназначенная для установления связи между структурой и механическими свойствами горных пород.
Ключевые слова: горные породы, структурные свойства, классификации,
каноническая шкала.
TO THE PROBLEM OF CREATION OF CLASSIFICATIONS IN ROCK SCIENCE
Viktor N. Oparin
N.A. Chinakal Institute of Mining, Siberian Branch, Russian Academy of Sciences, PhD in Engineering, 54 Krasny Pr., Novosibirsk, 630091, Russia. Tel: (383) 217-05-36; e-mail: oparin@misd.nsc.ru
Aleksandr S. Tanaino
N.A. Chinakal Institute of Mining, Siberian Branch, Russian Academy of Sciences, PhD in Engineering, 54 Krasny Pr., Novosibirsk, 630091, Russia. Tel: (383) 217-05-36; e-mail: tanaino@misd.nsc.ru
The status of a problem of classifications in rock science is considered and directions of their perfection are defined. The technique of a quantitative rating of structural properties of the rocks, intended for an establishment of connection between structure and mechanical properties of rocks is resulted.
Key words: rocks, structural properties, classifications, an initial scale.
1. Состояние и постановка проблемы
1.1.Объектами классификаций в горном породоведении являются физикомеханические свойства горных пород и ведущие характеристики геотехнологических процессов во взаимосвязи со свойствами пород. Первое направление представлено в основном одномерными классификациями, типа: класс ^ свойство. Большая часть классификаций второго (технологического) направления (взрываемость, буримость, абразивность, трудность экскавации и
др.) являются многомерными, т.е. представлены по двум и более ведущим признакам в зависимости от свойств горных пород.
1.2. Существующие одномерные классификации (а они представляют базу для технологических) отличаются двумя характерными особенностями. Первая - заключается в том, что классифицируемые показатели, сгруппированные по их значениям в классы (категории), представлены часто субъективно (интуиция и опыт авторов классификаций) и в лучшем случае по статистическим правилам, предложенным в [1]. Причина такого подхода - отсутствие в горном породоведении теоретических положений для построения классификаций горных пород. Вторая особенность существующих классификаций обусловлена методологией представления информации, в которой используется модель “чёрного ящика” - фиксируется реакция объекта на механические воздействия, а свойства объекта, подвергаемого этому воздействию, не учитываются (рис. 1). Полагают, что достаточно характеризовать испытываемый объект наименованием породы, хотя наименование характеризует в основном её генезис, но не значения физических (структурных) свойств, а они, как известно, изменяются в широких пределах и являются определяющими для всех механических свойств.
Рис. 1. Схематическое представление существующей методологии получения информации о механических свойствах горных пород
Однако, изменение методики проведения экспериментов (по алгоритму, схематично представленному на рис. 2) с целью получения физических и структурных свойств горных пород требует, во-первых, выполнения соответствующих исследований.
Рис. 2. Схематическое представление предлагаемой методологии получения информации о физико-механических свойствах горных пород
Во-вторых, в виду разных единиц измерения свойств, для совокупной количественной их оценки одним показателем (С) необходим метод приведения значений свойств к безразмерному виду. Результаты выполнения эксперимента при такой методике представляются следующими данными: наименование породы (К), структурные и физические свойства (и), совокупный показатель свойств (О), значения измеренных механических свойств (Ж). Такая информация, накопленная в базе данных, позволит создать аналитический аппарат для прогнозирования прочностных свойств горных пород без проведения экспериментальных исследований и представить классификации в виде универсальных зависимостей Ж = /(К, Х, О).
1.3.Для решения поставленной задачи в авторами в [2] представлена теоретическая база для создания классификаций горных пород по физикомеханическим свойствам (прочность на сжатие, растяжение, контактная прочность, трещиноватость, пористость, влажность, твёрдость и др.). Теоретические положения базируются на феноменологической модели блочноиерархического строения горных пород и представлении значений любых их свойств в канонической шкале в виде кластеров, размеры которых зависят от уровней самоорганизации геовещества. Использование этой же феноменологической модели использовано для безразмерного представления свойств, что, как следствие, привело к возможности выполнять, по существу, простые алгебраические операции с данными, представленными в канонических шкалах.
2. Методика количественной оценки структурных свойств горных пород
Исходим из того, что структурные свойства горных пород практически определяют все их механические. Поэтому для реализации методического подхода, представленного на рис. 2, необходимо выполнить количественный структурный анализ образцов пород и получить совокупную их оценку.
Структура горных пород - понятие сложное. В зависимости от масштабных уровней, его содержательный смысл различен. Если анализируется образец горной породы, то его структурными элементами являются зернистость, пористость, состав породообразующих минералов,
микротрещиноватость и др. Ниже будем рассматривать свойства горных пород на микроуровне.
Из всей совокупности структурных характеристик пород основное влияние на механические свойства оказывают следующие: зернистость, пористость, состав породообразующих минералов и их твёрдость, влажность. Далее исходим из того, что если все прочностные свойства классифицируются по одной и той же закономерности, то факторы, их обусловливающие, находятся в такой же связи. На этом основании запишем выражения для безразмерного представления структурных показателей по уровням их кластеризации в канонической шкале согласно [2]:
S.. = 2.8854 • Ln
D.
+1,
S. = 1 - 2.8854 • Ln
D
V D° y J
(1)
(2)
где Sp, Sy - безразмерные показатели, оценивающие значимость уровня p-го и y-го свойства; Dp, Dy, D0p, D0y - соответственно конкретные значения свойства р и y в образце горной породы и опорные их значения.
Выражение (1) и (2) отражают различный характер влияния структурных свойств: если увеличение значения некоторого свойства приводит к увеличению сопротивляемости породы разрушению, то используется (1), иначе - (2). Если используется (1), то в качестве опорного (D0p) принимается минимальное значение свойства. Если расчеты ведут по (2), то в качестве опорного (D0y) принимает максимальное значение анализируемого свойства. Совокупное влияние свойств определим суммой показателей Sx, Sy:
F = + SSy . (3)
2.1.Зернистость горных пород является определяющим свойством, как структурного строения, так и их прочности или сопротивляемости разрушению. Известно влияние размеров зёрен на механические свойства горных пород: с увеличением размеров зерна прочность пород, как правило, снижается. Следовательно, для отображения этого эффекта показатель зернистости определим по (2). Поскольку речь идёт о зернистости образца горной породы в целом, то необходимо получить данные о среднем значении размеров зёрен.
Размер зёрен в конкретном образце горной породы может варьировать в широких пределах. В любом случае необходима информация о среднем (или
средневзвешенном) размере зерна (Zc, мм), определение которого связано либо с ситовым анализом, либо с использованием
т
[ Определение характеристик поро
Рис. 3. Микроскопический анализ зернистости и пористости
микроскопического комплекса для петрографического анализа керна (рис. 3). Применение ситового анализа связано с практически непреодолимыми трудностями из-за дробления зерен при измельчении или, наоборот, их нераскрытая (наличие сростков). Мы в своих исследованиях для этих целей используем как электронный, так и оптический микроскопы. Следующий шаг связан с определением опорного значения зерна (О0у ). Вопрос далеко не тривиальный. В качестве такового в [2] обосновано его значение и принято размеру зерна равному 14 мм. Тогда, (2)
применительно к представлению фактора зернистости запишем:
7 = 1 - 2.8854 • Ln
(4)
1.210-3 < 7,<14,
где 7 - безразмерный показатель, оценивающий степень влияния зернистости на сопротивляемость породы разрушению; 7р, 14 - соответственно, средневзвешенный размер зерна в образце породы (мм) и опорное его значение.
2.2..Пористость. Она во многом обусловливают физические свойства горных пород. С увеличением общей пористости, а также других структурных дефектов в моно- и полиминеральных породах, их плотность, прочность и модуль упругости проявляют тенденцию к снижению. Поэтому, для учёта влияния пористости в обобщённом показателе сопротивляемости горных пород разрушению, используем зависимость по типу (2), представив её в виде:
0.2 < Рр < 30.
где Р - безразмерный показатель, оценивающий степень пористости горной породы;Рр, 30 - соответственно, пористость образца и опорное её значение.
Пределы изменения пористости зависят от генотипов горных пород. В интрузивных породах она находится на уровне 0.1 - 3 %. Пористость осадочных обломочных пород характеризуется широким интервалом значений - от 2 до 40% и более. Пористость осадочных обломочных (песчаных и глинистых) пород находится в линейной зависимости от их плотности [3]. Следовательно, учёт общей пористости равносилен совокупному учёту соотношений между плотностью минеральной части и объёмной массой породы.
2.3.Твердость породослагающих минералов. Из известных методов оценки твердости горных пород (Моос, Бринелл, Виккерс, Роквелл, Шор, Шрейнер, Кнаупп и др.) используем твердость по Моосу. Основанием для этого является то, что твердость отдельных минералов, слагающих горную породу, во многом определяет ее твердость как агрегата, а в справочной литературе приводятся данные о твердости минералов, как правило, по Моосу (Ям).
Полагаем, что по результатам минералогического анализа известно содержание породообразующих минералов (М,, %). Твердость минералов, слагающих породу, известна по справочным данным. Тогда средневзвешенную твердость породы, как агрегата, состоящей из к минералов, определим по выражению:
С повышением средневзвешенной твёрдости породы, как агрегата состоящего из к минералов, её сопротивление разрушению возрастает. Следовательно, для учета этого свойства используем выражение по типу (1), записав его в виде:
Р = 1 - 2.8854 • Ьп
(5)
Яр = 0.01 £МгКм„ , Xм, = 100.
1 ,=1
Я = 2.8854-Ьп(Яр)+1; 1 < Яр < 7.
(6)
2.4.Влажность горных пород. Из всего множества показателей определяющих содержание воды, используем показатель «естественной влажности» пород (^) по ГОСТ 5180-84. Все категории воды (свободная, связная, капиллярная и др.), находящиеся в породе, существенно влияют на многие её свойства в том числе деформируемость и прочность горных пород. Связная вода влияет не только на прочность осадочных пород. Не в меньшей мере её влияние сказывается и на прочности магматических, метаморфических пород. Естественная влажность (Жр) для полускальных и скальных горных пород, согласно [4], находится в пределах 0.5^23 %. Поскольку с повышением влажности горных пород прочность их снижается, то для отражения этого положения, воспользуемся формулой по типу (2), приняв опорное значение влажности Ж0 = 23 %:
Ж = 1 - 2.8854- Ьп
( Ж Л
23
Ч У
(7)
0.5 <Жр<23.
3. Совокупная оценка структурных свойств горных пород
По выражениям (4) - (7) выполнено безразмерное представление основных структурных свойств горной породы, входящих в группу необходимых и достаточных для характеристики её как сложного физического тела. Другие физические свойства пород (плотность, теплоёмкость, теплопроводность, электропроводность и пр.) во многом определяются представленными в (4)-(7), но не относятся к структурным. Следовательно, их совокупность, определённая в виде суммы параметров (3), является обобщённой характеристикой структурного строения исследуемого образца горной породы (О):
О = гр+Рр+Яр+Жр. (8)
Подставив в (8) выражения (4)-(7) получим:
О = 4 - 2.8854
Ьп
(Л ( р Л (ж Л ( я Л
+ Ьп
Ч 30 У
+ Ьп
23
ЧУ
- Ьп
Ч 1 У
(9)
Приняв в (9) максимальные и минимальные пределы значений показателей свойств (пределы их представлены в (4)-(7)), определим, что О для скальных и полускальных горных пород может изменяться в пределах 8.8 < О < 56.6.
Такова методическая база, используемая нами для оценки структурных свойств горных пород.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Барон Л.И., Глатман Л.Б. Контактная прочность горных пород.- М.: Недра, 1966.
2. Опарин В.Н., Танайно А.С. Каноническая шкала иерархических представлений в горном породоведении. - Новосибирск: Наука, 2011.
3. Физические свойства горных пород и полезных ископаемых (петрофизика): справочник геофизика. - М: Недра, 1976.
4. Справочник (кадастр) физические свойства горных пород / Под ред. Н.В. Мельникова, В.В. Ржевского, М.М. Протодьяконова. - М.: Недра, 1975.
© В.Н. Опарин, А.С. Танайно, 2012
