Рейтинговые классификации массивов горных пород и их практическое применение Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

ния кимберлитовых трубок во взаимосвязи с изменением техногенной обстановки, складывающейся к моменту перехода на подземную добычу.

Анализ горнотехнических условий, движения запасов месторождения и изменения чистых денежных потоков показывает, что переход к подземной разработке следует

осуществлять на глубине, при которой объем оставшихся запасов богатых кимберлитовых руд составляет не менее 30 % от утвержденных. При разработке рядовых руд остающиеся запасы должны составлять не менее 50% от общих запасов руды. Это позволит обеспечить рентабельность подземного рудника и полное извлечение запасов месторождения.

— Коротко об авторах ------------------------------------------------------------------

Савич Игорь Николаевич — кандидат технических наук, доцент кафедры «Технология, механизация и организация подземной разработки руд», Московский государственный горный университет.

------------------------------------------ © Е.В. Кузьмин, А.Р. Узбекова,

2005

УДК 622.23:001.33

Е.В. Кузьмин, А.Р. Узбекова

РЕЙТИНГОВЫЕ КЛАССИФИКАЦИИ МАССИВОВ ГОРНЫХ ПОРОД И ИХ ПРАКТИЧЕСКОЕ ПРИМЕНЕНИЕ

Семинар № 13

¥ ¥ еобходимость систематизации и свеЛ дения к общему числовому показателю разрозненных данных описания характеристик массива возникла вследствие большого разнообразия свойства горных массивов.

Для определения допустимых размеров обнажений трещиноватых руд и пород, оценки устойчивости целиков и других конструктивных элементов систем подземной разработки рудных месторождений, приуроченных к трещиноватым вмещающим породам, используются различные критерии устойчивости.

Одной из первых попыток соотнести показатели устойчивости массивов горных пород к

принятию определенных решений на их основе была сделана Риттером в 1879 году. Он с позиций теории упругости определял параметры свода естественного равновесия и пытался объяснить явление сводообразования и определения допустимых пролетов незакрепленной кровли горизонтальных выработок. Его теория не нашла практического применения из-за того, что она применима в весьма ограниченном числе случаев.

Основной вклад Риттера заключался в предложении применить общий подход к проектам проходки выработок, в частности выбору их крепления, на основе опытных данных.

Важным этапом в развитии горной науки в части рудничного крепления явились исследования проф. М.М. Протодьяконова, опубликованные в горном журнале 1907 г. Им создана теория свода естественного равновесия, не утратившая своей правомерности до настоящего времени, которая позволяет определять только высоту свода в зависимости от пролета, вели-

чиной которого следует задаваться при расчетах. Однако на практике необходимо определять пролеты плоской и сводчатой кровли широких камер, приуроченных к трещиноватым рудам и породам, устойчивость которых не может характеризоваться только коэффициентом крепости.

Представление о напряженном состоянии массива горных пород с теоретических позиций впервые высказано А.Н. Динником в 1925 г. в связи с расчетом крепи круглой шахты. В работе он указывал, что нельзя охватить все разнообразие возможных случаев одной схемой и рекомендовал выбирать, как лучше вести расчет - по теории сыпучих или упррж1960[. г. акад. Л.Д. Шевяков доказал актуальность определения размеров опорных целиков и потолочин для горной промышленности. Он отмечал, что опорные целики должны выдерживать максимальные нагрузки, которые определяются весом пород, приходящимся на столб. На ленточный целик, находящийся между двумя камерными выработками, может давить не весь объем пород, находящийся над ним, а часть его, огра&иашвпиидамздематический метод расчета, предложенный им в 1941 г. до сих пор применяется при определении размеров целиков при камерно-столбовой системе разработки в случаях, когда можно применять методы теории упругости.

В мировой практике для более универсального подхода к характеристикам массивов горных пород развитие в области геомеханических оценок получили классификации пород по критерию устойчивости на основе эмпирических данных с учетом и строения массива, и его фи-зико-механи-ческих свойств. Первые классификации были описательными и предназначались для выбора вида крепления. Затем были предложены рейтинговые классификации, представляющие собой количественную оценку устойчивости массивов. Дальнейшее развитие классификаций происходило не только в направлении выбора крепления выработок, в том числе и очистных, но и для определения устойчивости пролетов обнажений камер, а затем и параметров систем с обрушением на основе эмпирических данных (рис. 1).

Ранние упоминания использования классификации массивов для выбора крепи выработок имеются в работе Терцаги (1946), где нагрузка на несущие оклады крепи оценивается на основе описывающей массив классификации. В настоящее время она практически не используется, но основное внимание в ней Терцаги уделяет характеристикам, которые имеют наиболее предопределяющее влияние на устойчивость массивов.

В 1958 г. Лоффер предположил, что время устойчивости для определенного пролета обнажения можно соотнести с геомеханическими характеристиками породы. В его классификацию были внесены изменения многими учеными, и сейчас она является частью подхода к проведению выработок. Одна из самых значительных концепций в его работе заключается в том, что увеличение пролета обнажения приводит к значительному сокращению времени устойчивости до установки крепи.

В 1967 г. Диром был предложен критерий устойчивости массива по данным кернового бурения названный «Индекс качества породы»

(да).

Показатель определяется как отношение общей длины кусков керна (длиной более 10 см) к общей его длине:

^ 1(>\0см)

RQD =■

I

керна

где RQD - показатель, имеющий прямо пропорциональную зависимость от числа трещин и его значение может значительно изменяться в зависимости от направления бурения. Использование подсчета трещин в объеме массива уравнивает данную анизотропию и дает более наглядную оценку.

Критерий Дира широко использовалось в течение 25 лет для определения допустимого давления и выбора крепления, а в настоящее время, этот показатель, является существенным компонентом при подсчете рейтинговых показателей в других классификациях. Показатель трещиноватости, который лежит в основе данной классификации, имеет очень высокую степень влияния на устойчивость обнажений горных пород.

В нашей стране также имеются методики расчета параметров крепей, в которых трещиноватость рассматривается как основной фактор. В работах С.В. Ветрова, С.Н. Чернышева четко определены основные термины и характеристики трещиноватости.

Однако, как показывает практика, трещиноватость является одним из основных влияющих на устойчивость факторов, но не единственным, поэтому в дальнейшем стали появляться классификации, учитывающие сразу несколько параметров для оценки устойчивости массивов.

Рис. 2. Соотношения между временем устойчивости, пролетом обнажения по рейтинговым показателям ЯМЯ Бенявского

В 1972 г. Викхем предложил использовать количественный метод для описания качественных характеристик массива и для выбора соответствующего крепления на основе классификации 0,1

ИБИ. В данной классификации продемонстрировано логическое направление в развитии систем количественной оценки массива горных пород. Это одна из первых попыток внедрения рейтинговых показателей в описание массивов.

Рейтинг ИБИ складывается из трех составляющих: №Я = А+В+С.

Параметр А представляет общую оценку геологического строения, В - учитывает влияние трещиноватости массива по отношению к направлению проведения выработки, на основе, С - влияние подземных водопритоков и трещиноватости. Максимальный показатель ИБИ=100. По графикам подбирали соответствующее крепление.

В настоящее время ИБИ практически не используется, однако эта система являлась еще одним шагом в эволюции классификаций массивов по критерию устойчивости.

В 1973 г. Бенявский предложил новый рейтинговый критерий устойчивости массива. В 1976 г. он опубликовал классификацию массивов горных пород, названную геоме-ханической классификацией или рейтингом массива горных пород (ИМЯ).

В классификации используются следующие 6 параметров: прочность пород на одноосное сжатие; ИОЭ; расстояние между трещинами; условия трещиноватости; условия подземных вод; направление трещин.

100 мя усто

При применении этой классификации, массив горных пород разделены на число структурных областей, и каждая область имеет свой рейтинговый показатель. Обычно эти границы совпадают с основными геологическими структурами или характеризуются изменением типов пород.

3 В 1989 г., Бенявский опубликовал комплекс систем крепления для имеющихся диапазонов показателей ИМИ.

На основе классификации и эмпирических данных были созданы графики зависимости времени устойчивости выработок от пролета обнажения по системе ИМИ (рис. 2).

Классификация Q или N01 - (Норвежского геотехнического института) была разработана Бартоном, Лиеном и Люндом в 1974 г. На основе анализа большого количества проходческих работ, Бартон (1974) в Норвежском геотехническом институте предложил для опреде-

Рис. 3. Алгоритм к определению рейтингового показателя МЯУЯ по классификации проф. Д. Лобшира

1000

10000

100000

1000000

ления характеристик массива и обоснования выбора крепления использовать «индекс качества массива» для проходческих работ Q. Значение показателя варьирует от 0,001 до 1000 по логарифмической шкале и определяется по формуле:

_ коо ог

О = ^ X—^- X---

^ Ja ,

где RQD - индекс качества породы Дира; 1п -количество систем трещин; 1г - показатель шероховатости трещин; 1а - показатель сцепления поверхностей трещин; ^ -фактор наличия воды в трещинах; БЮ" - учитывает напряжения массиве.

В порядке отношения подсчитанного значения Q к требованиям крепления подземных выработок, Бартон, Лиен и Люнд в 1974 г. предложили использовать отношение пролета выработки (диаметр, м) к коэффициенту необходимого времени устойчивости крепления ЕБЮ. Этот показатель получил название «эквивалентный размер» ^е).

Вследствие того, что критерии Бенявского и Бартона были приурочены для подземного строительства гражданских сооружений, возникла необходимость в разработке специальной класси-

Рис. 4. График к определению гидравлического радиуса при системах с самообрушением по показателям МИМЯ Лобшира (1994 г.)

фикации, адаптированной к горнодобывающей промышленности.

Кендорским был изменен рейтинг Бенявского для использования его для систем с обрушением. Система получила распространение в США.

Проф. Д. Лобширом (1977-1990) разработан «горный рейтинг массива горных пород» (МЮМЮ). Классификация основывается на рейтинговой системе проф. 3. Бенявского (ЮМЮ), но в нее были внесены дополнительные параметры влияния напряжений в нетронутом массиве и привнесенного давления, влияния взрывных работ, смерзаемости, водопритоков и выветривания. Схема к определению рейтингового показателя массива на основе этой геоме-ханической классификации показана на рис. 3.

По рейтинговым показателям были разработаны системы к определению крепления выработок, выбору параметров уступов карьера, а также для определения устойчивости и обру-шаемости пород.

На основе физического моделирования и анализа опыта применения систем с обрушением проф. Д. Лобширом разработана методика определения параметров систем с самообрушением, исходя из результатов рейтинговых показателей массивов. Методика является общепринятой во многих странах и успешно используется уже более 25 лет.

Кроме того, проф. Д. Лобширом построен график зависимости величины гидравлического радиуса от показателя МЮМЮ, с делением массивов горных пород на области обрушае-мые, переходные и устойчивые (рис. 4).

— Коротко об авторах -------------------------------------------------------------------------

Кузьмин Евгений Викторович — профессор, доктор технических наук, зав. кафедрой,

Узбекова Алина Рашидовна — горный инженер, ассистент,

кафедра «Технология, механизация и организация подземной разработки руд», Московский государственный горный университет.