1.3 Оценка сопротивления горных пород разрушению (по в.В. Ржевскому)

В работах академика В. В. Ржевского дана базовая оценка со­противляемости пород разрушению по их основным базовым свой­ствам: пределам прочности пород при сжатии, растяжении, сдвиге, по плотности, блочности и т. д.

Разрушение породы происходит в результате возникновения в определенных объемах под действием внешних сил напряжений сжатия σ_сж, сдвига σ_сдв и растяжения σ_раст превышающих ее пределы прочности. Суммарное действие разрушающих сил при разной степени участия напряжений сжатия, сдвига и растяжения может быть условно оценено предельным сопротивлением породы разрушению:

σ_р = κ₁σ_сж + κ₂σ_сдв + κ₃σ_раст.

Значения коэффициентов к_1, к_2, к₃ неодинаковы для различ­ных процессов разрушения. Для относительной оценки сопротив­ления пород разрушению (трудности разрушения) можно принять условно равное участие пределов прочности при сжатии, сдвиге и растяжении в сопротивлении разрушению:

σ_р = ⅓ (σ_сж + σ_сдв + σ_раст).

Предельное сопротивление разрушению породы в массиве σ_рм отличается от сопротивления разрушению образца σ_р и зависит от его трещиноватости и от плотности породы ρ_п:

σ_рм = k_трσ_р + k_пlρ_п,

где k_тр — коэффициент влияния трещиноватости, значение ко­торого неодинаково для различных процессов разрушения; к_п — коэффициент влияния плотности породы; l — путь преодоления силы тяжести кусками породы, численно равный средней ширине развала.

Общую относительную оценку сопротивления массива гор­ной породы разрушению можно произвести по следующему эм­пирическому выражению:

σ_р = ⅓ k_тр (σ_сж + σ_сдв + σ_раст) + 33 ρ_п.

Для практических расчетов рекомендуется пользоваться об­щим безразмерным показателем трудности разрушения породы:

П_тр = 0,005k_тр (σ_сж + σ_сдв + σ_раст)+0,5 ρ_п.

На основе обработки экспериментальных данных более 500 типов горных пород В. В. Ржевским все породы по трудности раз­рушения разделены на 25 категорий.

Широкий диапазон категорий позволяет достичь высокой точ­ности классификации пород по трудности разрушения. Погреш­ность на одну категорию ведет к погрешности в определении тех­нических и экономических показателей не более чем на 4—5%, что не выходит за пределы точности инженерных расчетов в гор­ном деле.

Буримость горных пород академиком В. В. Ржевским характеризуется следующим образом. Эффективность бурения шпуров и скважин определяется скоростью бурения, которая зависит от свойств горной породы, определяющих ее способность разрушаться под действием бурового инструмента на забое скважины (основ­ной фактор); формой бурового инструмента и способом его воздей­ствия на забой (ударное, вращательное, ударно-вращательное и т. д.); частотой вращения, осевым усилием и скоростью воздей­ствия бурового инструмента на забой скважины; диаметром сква­жины и ее глубиной; способом и полнотой удаления с забоя сква­жины продуктов разрушения.

В качестве физико-технической основы сопоставления пород по буримости (зависящей только от свойств породы) при выборе технических средств бурения для конкретных условий и последую­щих технологических и экономических расчетов принимается относительный показатель трудности бурения породы.

Для разрушения породы при бурении основное значение имеют развиваемые инструментом усилия сжатия и скола. При ударном бурении преобладает разрушение от усилий сжатия, при вращательном — скола. Для относительной оценки пород по трудности бурения степень участия в разрушении сжимающих и скалываю­щих усилий условно можно принять равной.

Трещиноватость пород можно не учитывать, если эксперимен­тально установлены пределы прочности породы при сжатии σ_сж и сдвиге σ_сдв, которые уже учитывают эту трещиноватость. Кроме того, малые размеры зон разрушений исключают возможность влияния на их размеры макротрещин массива.

При оценке буримости необходимо учитывать плотность по­роды, так как она определяет эффективность удаления буровой мелочи с забоя и степень ее измельчения. Исходя из этого, относительный показатель трудности бурения может быть определен из выражения

П_тр = 0,007 (σ_сж + σ_сдв )+0,7 ρ_п.

Все горные породы в соответствии с величиной П_тб класси­фицируются на пять классов и на 25 категорий по буримости. Введение показателя П_тб облегчает технологические расчеты буровых установок, их мощность, режим и техническую скорость бурения в конкретных горно-геологических условиях.

Взрываемость горных пород академиком В. В. Ржевским ха­рактеризуется удельным расходом ВВ, необходимым для дости­жения заданной степени дробления.

Сложный процесс взрывания породы, в том числе и удельный расход ВВ, не поддаются достаточно строгому предварительному расчету. Многочисленные наблюдения и производственный опыт показывают, что для относительной оценки сопротивления пород взрыванию необходим и достаточен учет показателей, которые могут быть получены экспериментально, большей частью при механических испытаниях образцов породы: пределов прочности породы при сжатии, сдвиге и растяжении, а также плотности породы.

Для единой оценки и классификации горных пород по взры­ваемое™ вводится эталонный удельный расход ВВ — расход (в граммах) эталонного ВВ (аммонит 6ЖВ), необходимый для взрывного дробления куба монолитной породы (в свободно под­вешенном состоянии) с размерами граней 1 м до степени дроб­ления 2.

Приняв в первом приближении равную степень участия во взрывном разрушении сжимающих, сдвигающих и растягиваю­щих усилий, что допустимо для относительной оценки взрывае­мости, эталонный удельный расход ВВ (кг/м³) можно определить по выражению

q_э = K (σ_сж + σ_сдв + σ_раст)+K₂ ρ_п.g,

где К₁ и К₂ — эмпирические коэффициенты; g — ускорение сво­бодного падения.

Знание эталонного удельного расхода ВВ необходимо как для составления классификации пород по взрываемости на стадии проектирования, так и в качестве исходной величины для опреде­ления удельного расхода ВВ при проектировании взрыва.

Проектный удельный расход ВВ, помимо сопротивления взры­ванию в образце (эталонного расхода), учитывает реальные ус­ловия взрывания: трещиноватость и блочность массива, объем и форму части массива, взрываемой зарядом ВВ, число и взаим­ное положение открытых поверхностей, требуемую степень дроб­ления и мощность ВВ. Конкретное определение проектного удель­ного расхода ВВ требует знания коэффициентов, учитывающих перечисленные условия взрывания.

Проектный удельный расход ВВ характеризует взрываемость горной породы как физического объекта и справедлив для расчета одиночного заряда. Он не учитывает технических и организацион­ных условий промышленного взрыва на карьере: расположение

скважин относительно открытых поверхностей, форму и размеры сетки скважин, последовательность взрывания группы скважин, масштаб взрыва. Эти факторы учитываются при определении рас­четного удельного расхода ВВ применительно к каждому взрыву.

Расчетный удельный расход ВВ устанавливается по величине проектного расхода и уточняется опытным путем по результатам экспериментальных взрывов для конкретных условий. Расчет­ный удельный расход ВВ является частным от деления количе­ства заряженного ВВ на геометрический объем взрываемого мас­сива. После определения объема отгруженной породы из взорван­ного блока определяется фактический удельный расход ВВ.

По В. В. Ржевскому, определение буримости и взрываемости пород является условным, поскольку в постановке задачи не ис­пользуются известные теории прочности, а фигурируют только прочностные свойства пород и их плотность. Несмотря на неко­торую условность, этот подход позволяет оценить трудность бу­рения и взрывания одной породы по сравнению с другой, а следо­вательно, дает горному инженеру инструмент для оценки и нор­мирования работ, связанных с бурением и взрыванием массивов пород с различными свойствами.