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 [1]. 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 [LATEX_FORMULA]$\sigma_{c ж}^{в p}$[/LATEX_FORMULA], является одним из распространенных методов определения крепости пород, с последующим вычислением f по известной формуле М.М. Протодьяконова [1].
Как показали исследования, [LATEX_FORMULA]$\sigma_{c ж}$[/LATEX_FORMULA] МКП представленных супесчаным суглинком с галькой и щебнем с включениями кварцевых булыжников при температуре -50 равно 6 МПа [2].
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 [3].
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 [5].
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» [4].
Суммируя коэффициенты крепости заполнителя и отдельных составляющих крупнообломочных пород, получаем значение коэффициента крепости пород f МКП из выражения (3) [5], [6].
[LATEX_FORMULA]$\begin{aligned} & f_{o б p}=\frac{\sigma_{\text {зап }}^{сж}}{10}+\left(\frac{\sigma_1^\text{сж} \cdot n_1}{10}+\ldots+\frac{\sigma_n^\text{сж} \cdot n_n}{10}\right) \\ & f_{o \text{б} p}=f_{\text {зап }}+\left(f_1^n+\ldots+f_n^n\right) \cdot \mathrm{a}\end{aligned}$[/LATEX_FORMULA]
где:
Методические указания по определению [LATEX_FORMULA]\sigma_{\text {зап }}^{сж}, \sigma_1^{\text {сж }}, \sigma_n^{\text {сж }}[/LATEX_FORMULA], составляющих испытываемый образец приведены в [7], [8], [9], [10].
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 [2], [4], [9], [11].
Физико-механические свойства и расчетные значения крепости МКП
| Наименование пород | Температура пород, оMissing Mark : supС | Влажность, % | Гран. состав, мм | Временное сопротивление на одноосное сжатие, МПа | Содержание в долях единицы | f | |
| По Протодьяконову | По предлагаемой методике | ||||||
| Супесчаный суглинок (заполнитель) | - 5оMissing Mark : sup | 15 | <2 | 6 | 0,5 | 0,6 | 0,6 |
| Галька, щебень песчанистых сланцев (твердые включения) | - 5оMissing Mark : sup | 5 | 10-50 | 60 | 0,4 | - | 2,4 |
| Кварцевые булыжники (твердые включения) | - 5оMissing Mark : sup | - | 50-100 | 200 | 0,1 | - | 2 |
| Итого | 0,6 | 5 |
Из таблицы 1 видно, что f заполнителя (супесчаный суглинокравен 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) [10]. 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.
Физико-механические свойства и экспериментальные значения крепости МКП
| пород | Температура пород, оMissing Mark : supС | Влажность, % | Гран. состав, мм | МПа | (ПОК) | Содержание в долях единицы | f | |
| По Протодьяконову | По предлагаемой методике | |||||||
| Супесчаный суглинок (заполнитель) | - 7оMissing Mark : sup | 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 =.
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 [12].
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.
Коэффициенты крепости f МКП
Анализ исследований значений коэффициентов крепости МКП, проведенных на РМК показали следующее:
- 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.