Strength coefficients of permafrost coarse clastic rocks in placer mines of the cryolitic zone
Strength coefficients of permafrost coarse clastic rocks in placer mines of the cryolitic zone
Abstract
The article provides a method for determining the strength coefficient f of permafrost coarse clastic rocks (PCCR) in placer miners of the cryolithozone (PMC). The calculation formulas of M.M. Protodyakonov (Sr.) and L.I. Baron substantiate the need to find a new approach to determining the strength coefficients of PCCR. The main provisions, requirements and sequence for selecting optimal sample volumes from the rock mass of cleaning and preparatory mine workings are outlined. A formula for calculating the strength coefficient of PCCR is given, taking into account the granulometric composition of the rocks. The data for calculating the PCCR strength coefficient can be obtained in two ways: by calculation and by experiment. The proposed methodology was used to determine the values of the PCCR strength coefficients for placer deposits in Yakutia, Magadan Oblast and Chukotka.
1. Введение
В горном деле, при выборе способов и средств разрушения горных пород применяется коэффициент крепости f. Понятие о крепости горных пород ввел более ста лет назад основоположник горной науки д.т.н. профессор М.М. Протодьяконов (старший). Коэффициент крепости f это есть относительный показатель, приближенно характеризующий сопротивляемость горной породы разнообразным, как правило, сложным силовым нагрузкам в различных процессах геотехнологии . В последние годы, в связи с развитием отечественных и зарубежных средств комплексной механизации горного производства, внедрение высокопроизводительных выемочных машин (проходческие и очистные комбайны с режущими исполнительными органами) становится вопросом времени. Основным препятствием повсеместного внедрения комбайнов в условиях РМК является отсутствие достоверного метода определения коэффициента крепости f МКП.
Ниже приводим примеры определения коэффициента крепости f МКП по общеизвестным формулам.
Испытания образцов пород на временное сопротивление одноосному сжатию
Как показали исследования,
По формуле (1)
Формула (1) была уточнена Л.И. Бароном и представлена в следующем виде (2):
где:
Рассчитанные по формулам (1) и (2) коэффициенты крепости пород не отражают реальное состояние физико-механических свойств МКП. В этой связи разработка нового подхода определения коэффициента крепости f МКП РМК приобретает актуальное значение.
Целью исследования является определение достоверного значения коэффициента крепости f МКП РМК с учетом относительного процентного содержания мелкодисперсного заполнителя и компонентов крупнообломочных пород, составляющих породный массив.
Литературных источников посвященных определению коэффициента крепости f горных пород на интернет ресурсах достаточно много. Сведения в основном имеют образовательный характер и представлены виде рефератов, авторефератов диссертаций, методических указаний, учебных программ и др. При этом, аналогичных исследований по определению коэффициента крепости f МКП не найдены.
Несмотря на скептическое отношение некоторых исследователей к коэффициенту крепости f по проф. М.М. Протодьяконову, его эмпирические формулы, выведенные из данных практики того времени, представляют до сих пор методический интерес. В цитируемой работе для оценки физико-механических свойств горных пород (скальных) предлагают использовать коэффициент крепости по шкале М.М. Протодьяконова f определенный косвенными методами .
2. Определение коэффициента крепости f МКП
Образцы МКП для определения коэффициента крепости отбираются с использованием метода бороздового опробования через каждые 8–10 м по длине очистного забоя. Породы, собранные с учетом высоты залегания собирают по отдельности, из которых методом квартования берутся образцы пород весом не менее 5 кг. Последующие операции: взвешивание, высушивание, разделение по фракциям, определение процентного содержания каждой фракции крупнообломочной породы относительно объема образца производятся в лабораторных условиях .
Значение коэффициента крепости МКП определяют для мелкодисперсного заполнителя и отдельных составляющих крупнообломочных пород, с учетом их относительного процентного содержания относительно объема образца пород. Коэффициент крепости заполнителя (песок, супесь, суглинок) определяется прямым испытанием на сжатие или при наличии данных ранее проведенных исследований используются их значения с учетом отрицательной температуры и льдистости. По исследованиям ВНИИ-1 «для пород, в которых крупнообломочная фракция составляет менее 70% общего веса скелета породы, прочностные и деформационные свойства определяются только составом заполнителя» .
Суммируя коэффициенты крепости заполнителя и отдельных составляющих крупнообломочных пород, получаем значение коэффициента крепости пород f МКП из выражения (3) , .
где:
Методические указания по определению
Коэффициент крепости f МКП можно определить двумя способами: расчетным и экспериментальным. При расчетном способе значение коэффициента крепости определяется по формуле (3), используя данные геологических отчетов, отчетов научно-исследовательских институтов по исследованию физико-механических свойств горных пород и справочные материалы прочностных свойств горных пород , , , .
Таблица 1 - Физико-механические свойства и расчетные значения крепости МКП
Наименование пород | Температура пород, оС | Влажность, % | Гран. состав, мм | Временное сопротивление на одноосное сжатие, МПа | Содержание в долях единицы | f | |
По Протодьяконову | По предлагаемой методике | ||||||
Супесчаный суглинок (заполнитель) | - 5о | 15 | <2 | 6 | 0,5 | 0,6 | 0,6 |
Галька, щебень песчанистых сланцев (твердые включения) | - 5о | 5 | 10-50 | 60 | 0,4 | - | 2,4 |
Кварцевые булыжники (твердые включения) | - 5о | - | 50-100 | 200 | 0,1 | - | 2 |
Итого | 0,6 | 5 | |||||
Из таблицы 1 видно, что f заполнителя (супесчаный суглинок) равен 0,6.
Далее определяем коэффициенты крепости твердых включений по формуле (3) с учетом данных приведенных в таблице 1. В результате получим значение коэффициента крепости для МКП f =5.
При экспериментальном способе, в шахтных или лабораторных условиях определяют значения коэффициента крепости f МКП отдельных твердых включений методом толчения с помощью прибора для определения крепости (ПОК), разработанным проф. М.М. Протодьяконовым (младшим) . Метод рекомендован для повсеместного использования в горной промышленности. ГОСТ 21153.1-75* Породы горные. Метод определения коэффициента крепости по Протодьяконову.
В таблице 2 приведены значения коэффициентов крепости МКП месторождения «Кристалл – Конечный» прибором ПОК.
Таблица 2 - Физико-механические свойства и экспериментальные значения крепости МКП
Наименование пород | Температура пород, оС | Влажность, % | Гран. состав, мм | Временное сопротивление на одноосное сжатие, МПа | f (ПОК) | Содержание в долях единицы | f | |
По Протодьяконову | По предлагаемой методике | |||||||
Супесчаный суглинок (заполнитель) | - 7о | 15 | <2 | 0,6 | - | 0,53 | 0,6 | 0,6 |
Гравий (твердые включения) | - 7 | - | 2-10 | - | 6 | 0,29 | - | 1,74 |
Галька среднемелкая (твердые включения) | - 7 | - | 10-50 | - | 6 | 0,19 | - | 1,14 |
Галька кварцевая (твердые включения) | - 7 | - | 50-80 | - | 16 | 0,01 | - | 0,16 |
Булыжники кварцевые (твердые включения) | - 7 | - | >80 | - | 18 | 0,004 | - | 0,08 |
Итого | 0,6 | 3,7 | ||||||
В результате получим значение коэффициента крепости МКП f =3,7.
Достоверность полученных результатов подтверждается показателями крепости горных пород, приведенными в «Единые нормы выработки и времени на подземные очистные, и горнопроходческие и нарезные горные работы. В 2-х ч. 1: сборник / НИИ труда. – М.:НИИ труда, 1984» (ЕНВ и В).
Коэффициенты крепости пород f = 4-5 отнесены к VI-Х категории .
Таблица 3 - Классификация горных пород по ЕНВ и В 1984 г.
Наименование классификации | Категория пород | |||||||
ЕНВ и В. 1984 г. | V | VI-X | XI-XII | XIII-XIV | XV | XVI-XVII | XVIII | XIV-XX |
f | 4 | 4-5 | 6-8 | 8-10 | 12-15 | 16 | 18 | 20 |
3. Обсуждение результатов
Значения коэффициентов крепости f МКП по вышеприведенной методике россыпных месторождений Якутии, Магаданской области и Чукотки приведены на рис. 2. Значения крепости МКП месторождений Кулара: Кыра-Онкучах (шахта № 11), Суор-Уйалаах (шахта № 20 «бис»), Этиннээх (шахта № 64), Суор-Уйалаах (шахта № 65), Этиннээх (шахта № 68), Батор урэгэ (шахта № 15), Кристалл — Конечный (шахта № 1) определены в шахтных условиях экспериментальным способом с помощью прибора ПОК. Другие значения крепости МКП определены расчетным способом согласно выше приведенной методике по данным отчетов изысканий геологических партий или данных опубликованных источников.
Рисунок 1 - Коэффициенты крепости f МКП
- породообразующими компонентами МКП с различными процентными соотношениями являются: заполнитель (песок, супесь, суглинок и глины); гравийно-галечниковые породы (щебень и галька глинистых и песчаных сланцев); булыжники и валуны кварцевого состава;
- ввиду большой неоднородности литологического состава пород, слагающих россыпи, влажность (льдистость) их колеблется в широких пределах (от 6% до 30%). Максимальная влажность — 28–32% отмечается в супесчано-суглинистых породах (супеси, суглинки), в песчаных породах влажность составляет 20–25%, в гравийно-галечных отложениях сцементированных песчано-глинистым заполнителем, влажность составляет в среднем 19–25%; наименьшей влажностью характеризуются коренные породы — глинистые сланцы — 6%;
- значения коэффициентов крепости россыпных месторождений Кулара изменяются от f=4 (Кристалл-Конечный) до f=6,5 (Кыра-Онкучах). Мелкозернистый заполнитель находится в пределах от 20% до 62,5%, а твердые крупнообломочные включения составляют от 37,5% до 80%, в том числе валунистость изменяется от 0,42% до 11,4%. На россыпных месторождениях «Югоренок» и «Тирехтях» коэффициенты крепости соответственно равны f=5 и f=6. Наибольшее значение коэффициента крепости определено на месторождении «Селлях» (Усть-Мая) - f=8, а наименьшее «Шахта № 259» (Чукотка) – f =2.
Исследования гранулометрического состава пород кровли и продуктивного пласта РМК показали следующее соотношение фракций: 200 мм и выше 0,3–11,4% (булыжники и валуны); 10 мм и выше 20–40%; от 2 до 10 мм 15–40% (гравийно-галечниковые породы); менее 2 мм 17 — 62, 5% (заполнитель).
Исследования, связанные с геологическим строением и минеральным составом пород РМК, определением структуры, текстуры, гранулометрического состава МКП по определению коэффициента крепости МКП необходимо проводить совместно с геологической службой горнодобывающего предприятия.
4. Заключение
Рекомендуемый способ определения коэффициента крепости f МКП способствует выбору средств и способов разрушения горных пород при подземной разработке РМК в стадии проектирования.
Метод подхода определения коэффициента крепости f МКП не вступает в противоречие с общепризнанным методом определения коэффициентов крепости f по М.М. Протодьяконову, а расширяет область его применения в условиях подземной разработки РМК.
Методика также может быть использована геологами в стадии разведки РМК для уточнения нормирования и оплаты труда трудоемких ручных работ проходки шурфов и выборе средств разрушения при проведении горно-разведочных выработок.
Дальнейшие исследования по изучению и сбору данных физико-механических свойств МКП необходимы для установления рациональной области применения различных типов горнодобывающего оборудования в условиях РМК.