Свойства и классификации горных пород

СВОЙСТВА ГОРНЫХ ПОРОД, ВЛИЯЮЩИЕ

НА ЭФФЕКТИВНОСТЬ ИХ РАЗРУШЕНИЯ ПРИ БУРЕНИИ

И ВЗРЫВАНИИ

Изучение различных свойств пород, разработка методики их определения и учета имеют большое значение для выбора рацио­нального способа отбойки породы, типа применяемых буровых ма­шин и инструмента, установления норм выработки на производ­ство буровых и взрывных работ и т. д.

При бурении и взрывании эффективность разрушения горных пород определяется различными свойствами. Это связано с тем, что при бурении зона разрушения под лезвием инструмента имеет небольшие размеры (доли сантиметра) и зависит от макросвойств горных пород: твердости, абразивности, зернистости, вязкости и т. д. При взрывании на карьерах зарядов диаметром 200—300 мм зона разрушения имеет размеры в несколько метров (до 1.0 м), и эффективность разрушения при этом зависит от микросвойств массива породы и прежде всего от прочности и разрушаемости при соударении отдельностей, слагающих массив, и его трещиноватости.

Твердость и абразивность влияют главным образом на износ инструмента при бурении и выбор величины осевого усилия на буровой инструмент и частоты его вращения.

Твердость горной породы характеризуется сопротивлением проникновению в нее другого тела, не получающего при этом оста­точной деформации.

Абразивность — способность горных пород изнашивать при трении о нее металлы, твердые сплавы и другие тела.

Пластичность — свойство пород необратимо изменять, не разрушаясь, свою форму и размеры под действием внешних сил.

Хрупкость — свойство пород разрушаться без пластических деформаций.

При бурении и взрывании скальные горные породы можно рас­сматривать как хрупкие тела. Наибольшую пластичность имеет глина. Для разрушения пластичных пород требуется увеличен­ный расход ВВ.

Вязкостью в горном деле принято характеризовать сопротив­ляемость породы силам, стремящимся отделить ее часть от мас­сива. С увеличением вязкости пород эффективность бурения и взрывания снижается.

Зернистость характеризуется крупностью зерен минералов, образующих породы; различают крупнозернистые породы с зер-

нами диаметром больше 5 мм, среднезернистые — с зернами диа­метром 1—5 мм и мелкозернистые с зернами диаметром менее 1 мм. Чем меньше зерна минералов и чем прочнее цементирую­щие зерна вещества, тем труднее разрушается порода при буре­нии и взрывании.

Пористость характеризуется наличием мельчайших пустот в горной породе.

Водоносность — свойство пород задерживать воду и выделять ее при разработке месторождения. Водоносность пород следует учитывать при выборе типа ВВ и способа заряжания скважин.

Плотностью горной породы называется масса единицы объема горной породы в ее естественном состоянии. От плотности гор­ных пород зависит удельный расход ВВ, особенно при проведении взрывов на выброс.

Разрыхляемость — свойство горных пород занимать больший объем в разрушенном состоянии по сравнению с объемом в мас­сиве или целике. Отношение объема разрыхленной породы к ее первоначальному объему называется коэффициентом разрыхле­ния. Наибольшим коэффициентом разрыхления характеризуются твердые, вязкие и абразивные породы.

Устойчивость — свойство откоса горных пород сохранять свое положение, не разрушаясь (обрушаясь). Этот показатель обычно характеризуется углом естественного откоса т. е. углом, при котором откос породы находится в устойчивом состоянии. Величина его для разных пород меняется от 0 до 80°. Устойчи­вость существенно влияет на выбор диаметра взрывных скважин и их направления. Особенно важное значение приобретает устой­чивость при разработке глубоких горизонтов карьеров (ниже 300 м), а также при выводе бортов карьеров на проектный контур, чем круче и устойчивее откосы уступов, тем меньший объем вскрышных пород надо извлечь при добыче проектного объема полезных ископаемых. Поэтому для увеличения устойчивости откосов уступов применяются специальные методы контурного взрывания.

Слоистость — свойство пород относительно легко разделяться по плоскостям наслоения. При ведении работ в слоистых породах шпуры и скважины следует располагать перпендикулярно к плоскостям наслоения, так как это улучшает эффективность взрыва и уменьшает вероятность искривления шпуров и скважин.

Трещиноватость характеризуется частотой и пространствен­ным расположением трещин в массиве горной породы, которыми он разделен на отдельности различных размеров. При открытой разработке месторождений полезных ископаемых монолитных, т. е. не имеющих трещин, пород практически не встречается.

Естественная трещиноватость горной породы, которая опреде­ляется геологической характеристикой месторождения, допол­няется искусственной, зависящей от методов ведения взрывных работ. Она образуется в результате воздействия взрыва на мас-

сив; при этом с увеличением величины и диаметра заряда трещиноватость массива и степень раскрытия трещин возрастают.

На карьерах трещиноватость влияет на кусковатость взор­ванной горной массы, а следовательно, на выход негабарита. Одни и те же по составу породы при интенсивной трещиноватости разрушаются, не образуя негабарита и, наоборот, при слабой трещиноватости дают большой выход негабарита. Поэтому при выборе методов ведения взрывных работ на карьере и установле­нии допустимого размера куска для предприятия необходимо учитывать трещиноватость пород, которая характеризуется удельной трещиноватостью: числом открытых трещин всех си­стем, приходящихся на единицу длины прямой, проведенной в произвольном направлении. Величина, обратная удельной тре­щиноватости, дает среднее расстояние между трещинами, которое численно равно среднему диаметру естественной отдельности.

Содержание крупных или мелких отдельностей в массиве до взрыва обычно выражается в процентах к его объему.

Массивы пород одного происхождения могут иметь разную частоту трещин (степень трещиноватости) на отдельных участках, что объясняется многократностью действия на них тектонических напряжений. Учитывая длительность процесса трещинообразования, естественно полагать, что более трещиноватые массивы образуются из менее трещиноватых: крупные отдельности при многократных силовых (тектонических) воздействиях превра­щаются в более мелкие.

Средний размер крупных отдельностей, слагающих массив, зависит от типа трещиноватости массива: чем больше содержа­ние в массиве крупных отдельностей, тем больше их средний раз­мер. Все породы по степени трещиноватости или содержанию в мас­сиве крупных отдельностей условно разделены на пять катего­рий (табл. 1.1).

Для каждой категории пород по трещиноватости можно выб­рать рациональный диаметр взрывных скважин, параметры их расположения, схему их взрывания, удельный расход и тип ВВ. Поэтому для карьеров на основе маркшейдерских планов горных работ целесообразно составлять погоризонтные карты трещино­ватости, на которых указываются породы разной трещинова­тости. Такие карты на текущий период и на перспективу позво­лят более обоснованно выбирать буровые станки, ассортимент ВВ и удельный расход его с учетом ежегодных планов горных работ по каждому горизонту карьера.

Степень трещиноватости пород и их категория могут быть определены различными методами: по керну горных пород, пла­ниметрическим и фотопланиметрическим измерениями по поверх­ности забоев, измерением размеров отдельностей после взрыва и др. На действующих карьерах для оценки трещиноватости при­меняются планиметрический и акустический методы, а для про­ектируемых — метод кернов.

Планиметрический метод. Для определения удельной трещино­ватости вдоль забоя натягивается шнур (лента) и подсчитывается число естественных трещин, пересекающих его на участке длиной не менее 10 м, а затем вычисляется удельная трещиноватость:

λ=n/L,

где п — число трещин, пересекающих измеряемую прямую; L — длина измеряемой прямой, м.

Измерения с шагом 5—10 м на данном участке повторяются не менее двух раз. При измерениях необходимо учитывать только естественные трещины, которые отличаются от искусственных, вызванных взрывом, относительной прямолинейностью, меньшей шириной и заполненностью породой, обычно они заканчиваются в пределах каждой отдельности или пласта.

В тех случаях, когда измерения по забою выполнить затрудни­тельно или опасно, можно пользоваться количественным подсчетом числа трещин на поверхности откоса уступа. При этом забой рассматривается или фотографируется с расстояния 20 м через шаблон, на экране которого нанесена масштабная сетка (рис. 1.1). Толщина экрана составляет 1—1,5 мм. С помощью этой сетки мо­жет быть определено как среднее расстояние между трещинами, так и число крупных отдельностей, а также их число на 1 м³ массива по формуле, предложенной МГИ:

где п — число крупных отдельностей на измеряемой пло­щади S (м²), шт.

Содержание крупных кусков на участке слоистого массива определяется как отношение

Содержание крупных кусков на участке слоистого массива определяется как отношение

суммарной мощности слоев, содер­жащих крупные куски, к суммарной мощности всех слоев.

При пользовании планиметрическим методом возможны пог­решности, связанные с трудностью различить естественные и искусственные трещины на фотопланограммах (рис, 1.2). Рацио-

нально сочетать натурные измерения с фотопланиметрическими, выполняемыми на всей поверхности откоса уступа.

Метод кернов основан на измерениях кернов, полученных при разведке месторождения. Замеряется длина участков керна, разделенного на части по естественным трещинам. По упрощен­ному способу категория трещиноватости в соответствии с клас­сификацией пород по трещиноватости определяется по ее удель­ной величине:

λ = l/n',

где l — длина керна м; n' - число разделений керна по естественным трещинам.

Акустический метод заключается в определении отношения скоростей продольных волн в массиве и в отдельности. Методика таких измерений разработана в МГИ, а степень трещиноватости оценивают по акустическому показателю трещиноватости, ко­торый равен отношению квадратов скоростей продольных волн в массиве υ_м и вобразце υ₀:

А_i = (υ²_м/ υ₀)².

На ряде карьеров установлены следующие соотношения между категорией пород и акустическим показателем трещиноватости:

Категория пород по трещиновато­сти . . . . . . . . . . . . .I II III IV V

Акустический показатель трещи­новатости Аi . . . . 0, 1 0,1— 0,25 0,25—0,5 0,5—0,6 0,6—1,0

Степень трещиноватости может изменяться в результате воз* действия на массив предшествующих взрывов.

После взрыва поверхность массива нарушается трещинами, которые, как правило, параллельны бровке уступа. При верти­кальных зарядах зона заколообразования по кровле уступа со­ставляет около 100 диаметров заряда d₃, а вдоль оси заряда в глубь массива (7—10) d₃.

Граница между целиком и нарушенным массивом может быть установлена различными методами: по скорости утечки воды из скважины, по изменению скорости бурения скважин первого и последующих рядов, по изменению скорости прохождения аку­стических волн и т. д. Эти методы не позволяют получить коли­чественной характеристики трещиноватости, а дают лишь ее сравнительное изменение по глубине. Нарушение массива пред­шествующим взрывом приводит к ухудшению степени дробления горной массы, в связи с чем требуется применение специальных методов взрывных работ, например многорядного короткозамедленного взрывания, взрывания в зажатой среде и т. д.

КЛАССИФИКАЦИИ ГОРНЫХ ПОРОД

Классификации горных пород имеют большое практическое значение при ведении горных работ с точки зрения выбора бу­рильных машин, методов взрывных работ, определения норм выра­ботки и расхода материалов.

Ниже приведены некоторые применяемые классификации гор­ных пород.

Классификация горных пород по шкале проф. М. М. Прото­дьяконова. В основу этой классификации положен коэффициент крепости горных пород f, который характеризует относительную прочность горных пород на раздавливание при одноосном сжатии. Принято, что порода с прочностью на раздавливание 9,8-10^е Н/м² имеет коэффициент крепости, равный единице. Таким образом, порода, обладающая прочностью, например, 9,8 -10⁷ Н/м², имеет коэффициент крепости 1ю классификации проф. М. М. Протодьяконова (табл. 1.2):

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 число 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 (см. табл. 1.2) имеет десять категорий от I до X, часть из которых разбита на подкатегории (III—VII). Породы самые крепкие относятся к I ка­тегории, самые слабые — к X категории. Каждой группе пород соответствует коэффициент крепости f от 0,3 до 20. Эта классифи­кация до настоящего времени на многих горнодобывающих пред­приятиях СССР применяется для ориентировочной оценки пород, а также при укрупненных проектных и сметных расчетах.

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

Единая классификация горных пород по буримости. Специаль­ной комиссией при 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 ПП-50В1; давле­ние сжатого воздуха 0,45 МПа; характеристика бурового инстру­мента: диаметр головки бура 42 мм; форма лезвия бура кресто-

вая; угол приострения лезвия 90°; длина штанги 1 м; глубина бурения 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 число классификаций для определенных условий рудников, карьеров, бассейнов.

Классификации пород по взрываемости основаны на определе­нии величины удельного расхода ВВ (принято за эталон аммо­нит 6ЖВ) при стандартных условиях взрывания. При этом в ре­зультате взрыва порода должна разрушаться на куски определен­ной крупности. Сравнение наиболее распространенных классифи­каций пород приведено в табл. 1.3.

В настоящее время на многих 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. В зависимости от этих свойств приводятся значения удельных расходов ВВ. Сравнительный анализ таких классификаций показывает, что в каждой из них имеются легко-взрываемые, средневзрываемые, 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 раза и более. Например, для трудновзрываемых

массивов от 0,42 до 0,850 кг/м⁸, для средневзрываемых — от 0,32 до 0,65 кг/м³ и т. д.

Объективное сравнение взрываемости пород по таким «мест­ным» классификациям невозможно. Поэтому МГИ совместно с ВНИИЦветметом разработана классификация массивов пород по взрываемости, исходя из стандартных условий проведения их оценки. За стандартные условия проведения опытных взрывов приняты: высота уступа 12—15 м, угол откоса 65—70°, диаметр скважин 243—269 мм; ВВ — граммонит 79/21; схема взрывания многорядная КЗВ с замедлениями по диагоналям, величина пере­бура 2 м; величина забойки 6 м.

При взрыве должен быть обеспечен выход крупной фракции пород (свыше 1000 мм), близкий к нулю.

Статистическим анализом установлено, что для стандартных условий взрывания расчетный расход ВВ на карьерах в основном меняется от 0,1 до 2 кг/м³. Чем выше расчетный удельный рас­ход ВВ, тем больше диапазон его изменения в пределах³ одного класса.

На основе изложенных принципов установлено, что все разно­образие массивов пород по взрываемости можно разделить (табл. 1.4) на десять категорий (или классов). Эта классифика­ция массивов по взрываемости введена на карьерах Минцветмета СССР для выбора расчетных удельных расходов ВВ при проектировании массовых взрывов.

На конкретном карьере могут обычно быть породы трех, мак­симум четырех категорий (например II, IV, VIII или III, VI и X). Однако в местных классификациях они названы, как правило, одинаково: легко-,средне- и трудновзрываемые. С введением этой классификации массивов можно дать объективную сравнитель­ную оценку трудности взрывания различных массивов на разных карьерах.

Классификация пород по взрываемости (расчетному удель­ному расходу ВВ) треста Союзвзрывпром получена на основе обоб­щения громадного опыта ведения взрывных работ в различных породах (табл. 1.5).

В случае применения других ВВ значения q_р и q_в приведен­ных в табл. 1.5, следует умножить на переводной коэффициент е, принимаемый по табл. 1.6.

Расчетный удельный расход ВВ для зарядов нормального рыхления определяется по формуле

q= q_вN_q, где q_в — расчет­ный удельный расход ВВ для зарядов выброса; N_q — относи-

тельная масса заряда_, определяющая характер действия взрыва,равная отношению масс данного заряда изаряда нормального действия одной и той же Л НС.

Для зарядов нормального рыхления N_q принят равным приблизительно 1/3. Для получения заданного характера действия взрыва заряда принимают следующие величины N_q:для наи­большего камуфлета N_q ≈0,2; для нормального рыхления N_q ≈ 0,33 для выброса N_q ≥ 1.