ПРЕДИСЛОВИЕ

«Основы горного производства» является одной из первых дисциплин, формирующих профиль подготовки бакалавра по направлению «Горное дело».

Цели изучения дисциплины:

овладение горной терминологией и комплексом понятий, формирующих область деятельности человека при освоении земных недр;

ознакомление с технологическими системами и принципами ведения и обеспечения горных, буровых и горно-буровых работ.

Изучение дисциплины базируется на основе знаний отдельных дисциплин гуманитарного, социально-экономического, естественного и общетехнического цикла. В свою очередь, «Основы горного производства» являются базой для дальнейшего углубленного изучения общетехнических и освоения специальных дисциплин направления.

Роль горного дела в создании технологических и культурных составляющих человеческой цивилизации уникальна по своему влиянию практически на все сферы жизни общества и, как область промышленного производства, охватывает разведку месторождений полезных ископаемых, их разработку, строительство горных предприятий и подземных сооружений различного целевого назначения и др.

Горная промышленность как составная часть горного дела является важнейшей сырьевой базой, определяющей основные материальные и энергетические возможности развития и укрепления независимости для любого государства. Она поставляет минеральное топливо (уголь, горючие сланцы, торф, нефть, природный газ), руды черных, цветных, редких и радиоактивных металлов, горно-химическое сырье, строительные материалы и др. Ее мировое производство составляет более 170 млрд. т.

Для Украины весьма важной является проблема восстановления и ускоренного развития горнорудного дела, как основной сырьевой базы металлургической промышленности. Государственное значение имеют задачи развития работ по освоению собственных топливно-энергетических ресурсов – нефти, газа, каменного угля. Причем последний может рассматриваться как важнейший сырьевой источник. Сегодня степень использования мировых резервов угля находится на уровне 4%. Для нефти и газа этот показатель находится в пределах 70 - 80%. На мировом рынке потребность в нефти практически достигла уровня технически возможной ее добычи. Учитывая, что уже сейчас многие угледобывающие предприятия в процессе дегазации шахтных полей успешно реализуют комплексное извлечение полезных ископаемых за счет попутной добычи и использования каптируемого

5

газа угольных пластов, будущее угля расширяется возможностью его использования как первичного сырья для газификации. При имеющемся прогнозе снижения нефтедобычи в мире уголь становится также реальным сырьем и для гидрогенизации (получение из угля и сланцев синтетического жидкого топлива). Поэтому нет сомнений в том, что, значимость угольных месторождений как доминирующей составляющей экономики Украины возрастет.

Важной народно-хозяйственной задачей является необходимость наращивания запасов нефти и газа, а также увеличения их добычи, в том числе, за счет освоения месторождений углеводородов в украинской зоне акваторий Черного и Азовского морей. Учитывая, что скважинная добыча углеводородов является преобладающим способом разработки нефтяных и газовых месторождений, а также, учитывая доминирующее значение скважин при разведке и добыче газа метана как элемента дегазации угольных месторождений, развитие отмеченного направления горного производства становится весьма актуальным и неизбежным.

Горное производство тесно связано с геологией, поисками и разведкой полезных ископаемых. Независимо от вида полезного ископаемого определяющим условием развития горно-эксплуатационных работ является обеспечение строящихся или работающих добычных предприятий надежными геологическими данными с высокой степенью изученности запасов. Наиболее распространенным способом разведки является бурение скважин. Вместе с тем, целый ряд месторождений разведываются комплексно по данным бурения скважин и проведения горно-разведочных выработок, либо только с помощью подземных горно-разведочных выработок (при установлении запасов месторождений с крайне неравномерным содержанием полезных компонентов и невыдержанностью рудных тел по мощности, которые нельзя разведать буровым способом). В этом плане геологоразведочное дело, как часть буровой и горно-буровой технологических систем горного производства становится существенным элементом в деле освоении земных недр.

В разработанном учебном пособии обобщены имеющиеся в технической и учебной литературе материалы по основам наиболее апробированных технологических систем горного производства (горной, буровой и гор- но-буровой) с учетом требований новой программы курса «Основы горного производства» по направлению «Горное дело» для специальности «Бурение».

6

КРАТКАЯ ИСТОРИЧЕСКАЯ СПРАВКА

История горнотехнической деятельности человека берет начало с поиска, обработки и использования камня. Более 1,5 млн. лет назад для изготовления орудий человек использовал разные природные камни, прежде всего кремневые гальки, которые встречались на поверхности земли. По мере повсеместного истощения поверхностных залежей началась добыча камня с некоторой глубины. Широкое освоение методов подземной разработки месторождений кремня наблюдается уже в неолите. Для добычи кремневых конкреций в крутых берегах рек, оврагах и балках выбирались ниши, которые углубляли в виде коротких штолен (горизонтальных выработок), протяженность которых достигала 20 м и более. Наряду со штольнями человек начал разработку кремня с помощью вертикальных выработок (шурфов, стволов), которые возникли из развития опыта добычи посредством ям и котлованов (рис. 1).

Рис. 1. Добыча кремня в вертикальных выработках. Район Красного села, Беларусь.

Стволы неолитических шахт представляли собой достаточно глубокие колодцы (до 10-17 м), диаметр которых достигал 4 м. Как правило, из

современном цикле подземной добычи полезного ископаемого.

Для разрушения горных пород использовали орудия из кремня, окремненного песчаника и известняка (рис. 3), костей и рогов животных (рис. 5). Орудия выполняли функции молотов, рубил, долот и ударников, клиньев, рычагов, скребков.

Для освещения использовали лучины из смолистых пород дерева. Они позволяли осветить рабочее пространство, выделяя минимальное количество дыма (рис. 4).

Для обеспечения устойчивости выработок и исключения обрушений пород при их проведении оставляли породные целики из нетронутых пород, которые служили опорами кровли (рис. 6). В отдельных случаях из породных блоков сооружали несущие столбы. Высота выработок составляла от

0.5 до 1.2 м.

Циркуляцию воздуха осуществляли при помощи соединения стволов сбойками и поддержания огня в донной части «вентиляционного» ствола

8

(рис. 7). Возникающая «тяга» (от движения теплого воздуха вверх) создавала своеобразную всасывающую систему вентиляции.

Совсем недавно (в 1965 г.) в провинции Морона-Сантьяго в Эквадоре обнаружена древняя система

вентиляционных стволов и подземных выработок на глубине 230 м, общей протяженностью десятки километров. Эти горные выработки с оплавленными краями (следствие применения огня для проветривания выработок) использовались для добычи золота в IX – IV тысячелетии до н.э. Другие явные следы такого типа проветривания при подземной разработке золота

(более 10 тыс. лет назад) найдены в Танзании в районе озер Виктория и Таньнаньика (Восточная Африка), а также вблизи озера Титикака в Андах (на западе Южной Америки)

Для извлечения крупных конкреций кремня проводили их подработку, причем линзы подпирали деревянными

стойками, а после отхода людей - обрушали. Отработанные горизонтальные выработки заполняли пустой породой, которую получали при проведении новых ходов, что повышало устойчивость горного массива. Мотивация трудоемких работ по заполнению пустот выработанного пространства, особенно стволов, была связана у древних горняков не столько с технической целесообразностью, сколько с сакральными представлениями, предполагав-

9

провинции Китая носил название Цу-Лиу-Чинг, что в переводе означает «скважины, фонтанирующие сами по себе».

Примечательно, что в Китае использовали весьма эффективный способ ударно-канатного бурения, который обеспечивал быстрый подъем и спуск бурового снаряда в скважину путем навивания каната на ворот (или свивания с ворота). Удары на инструмент создавались упругим качанием балансира, прижатого к земле (рис. 8).

Общее представление о наиболее ранних конструкциях буровых установок дано на рис. 9. Опоры буровой вышки, трубы, инструменты, даже буровое долото изготовлялись из бамбука. Устье скважины во избежание обрушения закрывалось каменной плитой с отверстием. Для аварийных случаев были созданы многочисленные конструкции различных вспомогательных инструментов. В качестве привода использовали животных и энергию падающей воды. Максимальная глубина скважины достигала 1200 м.

Рис. 9. Общее представление о конструкции китайской буровой установки

Китайский способ бурения стал известен в Европе спустя много столетий (XII век), поэтому возможность независимого его изобретения европейцами почти исключена. Причем первые сведения о китайском бурении проникли к русским, а затем на Запад. В большинстве случаев здесь использовалось ручное вращательное и ударное бурение на деревянных штангах

(рис. 10).

11

Диаметр соляных скважин был 1 м, а глубина, как правило, превышала 100 м. Даже для современной техники бурение таких скважин – дело не простое. Продолжительность бурения одной скважины глубиной 200400 м составляло 3-5 лет. Соляной раствор добывался через рассолоподъемные трубы. Они имели трехступенчатую конструкцию: верхняя называлась матрицей, вторая – обсадной, третья – веслой. Трубы были деревянными. Металлические трубы (сначала клепанные) появились в бурении только в XIX в. Высота журавля, достигала 18 м, т.е. по высоте буровое устройство достигало современных размеров. Коромысло, с укрепленным на одном из его концом контргрузом, имело длину 20 м. Ручной ворот оригинальной конструкции с вертикальным расположением оси служил для получения качательных движений инструмента.

Буровой инструмент доставлялся в скважину на деревянных шестах, по современной технологии – штангах.

Рис. 10. Бурение под рассолоподъемную трубу (Усолье, Россия)

Успехи ударно-канатного способа поначалу были настолько велики, что вращательное бурение, известное в далекой древности, надолго – на несколько столетий – было забыто. Возрождение его отмечается во времена Леонардо да Винчи (XV-XVI в.). О возобновлении вращательного способа бурения в России упоминается в записях Кириллова монастыря Двинского уезда (1568 г.).

12

Первый рукописный учебник-руководство по бурению скважин « Роспись, как зачать делать новую трубу на новом месте» написан в XVI веке. Здесь «труба» - это скважина. Этот свод правил обобщил многовековую практику бурения скважин по Руси. В «Росписи…» подробно описан инструмент, его установка и приемы бурения, а также содержится самобытная терминология, свидетельствующая о высоком уровне культуры бурения скважин в России.

Старый опыт русского бурения скважин помогал быстро и надежно осваивать буровзрывные работы в шахтах и карьерах. К середине XVIII в. буровзрывное дело стало на уральских рудниках основным видом горных работ. В 1734 г. Вильгельм де Генин описывает уральские и сибирские заводы с обобщением и подробным изложением техники бурения.

Пропагандируя бурение, М.В. Ломоносов писал (1742 г.): «Достигнув места, где с надеждою можно искать подземного богатства, должно показать некоторые способы как бы руд и камней достать под землею. Горный бурав или щуп к тому служит». Рассуждения ученого определяют концепцию единства двух сугубо специальных отраслей горного дела, определяя значимость горнопроходческих работ и бурения для развития минеральносырьевой базы государства.

Достижения наших предшественников в горном деле имеют огромную ценность. Их советы и рекомендации по методам отработки месторождений, организации горного производства, методологии научного и практического поиска, вопросам постановки общих и частных задач, использования связи науки с практикой, умелому сочетанию государственной потребности и личной заинтересованности актуальны и в наши дни.

На современном этапе минерально-сырьевые проблемы, обусловленные интенсивной отработкой разведанных месторождений полезных ископаемых, для всех без исключения стран мира становятся острейшими и глобальными. Вместе с тем уменьшение богатств земных недр, совсем не означает их исчерпания. Детальная геологическая изученность нашей планеты распространяется пока лишь на меньшую ее часть, что предполагает возможность открытия новых богатых месторождений. Дальнейший прогресс горной науки, как источника прироста и освоения запасов промышленных категорий минерального сырья направлен на расширение возможности осваивать глубинные залежи, как на суше, так и на шельфе морей и океанов.

13

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О МЕСТОРОЖДЕНИЯХ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ

Месторождением называется естественное скопление полезного ископаемого, занимающее определенный объем в земной коре, которое по условиям залегания, количеству и качеству минерального сырья при данном состоянии экономики и техники может служить объектом промышленной разработки в настоящее время или в ближайшем будущем.

Полезным ископаемым называют природное минеральное образование, которое используется в народном хозяйстве в естественном виде или после предварительной обработки путем дробления, сортировки, обогащения для извлечения ценных металлов или минералов.

В зависимости от физического состояния полезные ископаемые могут быть твердыми, жидкими и газообразными.

Ктвердым относится большинство полезных ископаемых, которые применяются как химические элементы или их соединения, а также кристаллы, минералы, горные породы, к газообразным – горючие газы углеводородного состава и негорючие инертные газы, к жидким – нефть, рассолы, воды.

По промышленному использованию полезные ископаемые разделяют-

ся на металлические, неметаллические, горючие, гидро- и газоминеральные.

Металлические полезные ископаемые служат для извлечения из них металлов и элементов: черных (железо, титан, хром, марганец); легирующих (никель, кобальт, вольфрам, молибден,); цветных (алюминий, медь, свинец, цинк, сурьма, ртуть); благородных (золото, серебро, платина, палладий); ра-

диоактивных (уран, радий, торий); редких и рассеянных (висмут, цирконий,

ниобий, тантал, германий, кадмий, индий); редкоземельных (лантан, церий, иттрий и др.).

Кнеметаллическим полезным ископаемым принадлежат строительные горные породы (естественные камни, пески, глина), индустриальное сырье (алмаз, графит, асбест, слюды, драгоценные и поделочные камни, пьезокристаллы, оптические минералы), химическое и агрономическое сырье (сера, флюорит, барит, галит, калийные соли, апатит, фосфориты).

Горючие ископаемые включают торф, бурый уголь, каменный уголь, антрацит, горючие сланцы, нефть, горючий газ. Они служат энергетическим

иметаллургическим (кокс) топливом, а также сырьем для химической промышленности.

Кгазоминеральному сырью относятся негорючие инертные газы: гелий, неон, аргон и др.

Гидроминеральные полезные ископаемые разделяют на подземные во-

ды (питьевые, технические, бальнеологические или минеральные) и нефтя-

14

ные воды, содержащие ценные элементы (бром, йод, бор и др.), а также рассолы (озерные рассолы, минеральные грязи, илы).

По форме залегания месторождения твердых полезных ископаемых подразделяются на правильные и неправильные.

Правильную форму залегания обычно имеют пласты и пластообразные месторождения осадочного происхождения (уголь, горючие сланцы, соли, гипс и т.п.). Области почти непрерывного распространения пластовых осадочных полезных ископаемых (от нескольких сотен до нескольких сотен тысяч квадратных километров) называются бассейнами. В Украине к такому типу относятся бассейны угля (Донецкий), минеральных солей (Арте- мовско-Славянский), металлических и неметаллических руд (железа - Криворожский, Керченский; марганца – Никопольский).

В общем случае пластом называется плитообразная форма полезного ископаемого, имеющая значительное распространение в земной коре и ограниченная двумя более и менее параллельными плоскостями. Породы, залегающие над пластом полезного ископаемого, называются кровлей, а залегающие ниже пласта – почвой. Пласты могут иметь однородное (простое) (рис. 11, а) и сложное строение (рис. 11, б, в), иметь раздувы и пережимы мощности. Тонкие слои пустой породы, заключенные в пласте, называются

прослойками. Тела полезного ископаемого неосадочного происхождения, близкие по форме к пластам, принято называть пла-

стообразными залежами.

К неправильным относятся,

в основном, рудные месторождения.

В известной степени понятия «полезное ископаемое» и «руда» являются условными и отражают характерные для заданного исторического периода потребности народного хозяйства в различных видах минерального сырья, технологические возможности и экономические условия их

добычи, переработки и промышленного использования.

Как правило, рудные месторождения имеют форму жилы.

Жилы представляют собой трещины в горных породах, заполненные минеральным веществом полезного ископаемого. Их считают также плитообразными телами, поскольку, протягиваясь по простиранию и на глубину на десятки и сотни метров, они характеризуются незначительной мощностью, которая обычно изменяется от нескольких сантиметров до первых

15

метров. Жилы так же, как и пласты делятся на простые (рис. 11, г)и сложные (рис. 11, д). К простым относятся одиночные минерализованные трещины, к сложным – системы переплетающихся трещин, зон дробления, рассланцевания. Ответвления от жил называют апофизами. Залегание жил может быть наклонным, вертикальным, реже горизонтальным. В случае наклонного залегания породы, перекрывающие жилу, называют породами висячего бока, а подстилающие ее – породами лежачего бока.

В целом, в зависимости от формы залегания (угла падения) и способа разработки твердых полезных ископаемых их делят на горизонтальные, пологие, крутонаклонные и крутые (табл. 1). Кроме того, все месторождения классифицируются по такому элементу залегания, как нормальная мощность, которая представляет собой расстояние по нормали между кровлей и почвой залегающего полезного ископаемого (табл. 2).

Различие классификаций объясняется особенностями технологии и механизации разработки месторождения полезного ископаемого.

Таблица 1. Классификация залежей по углу падения полезных ископаемых

Таблица 2. Классификация залежей полезных ископаемых по мощности

Некоторую специфику имеют месторождения нефти и газа. Вместилищем для нефти или газа в недрах земной коры служат породы – коллекторы, окруженные полностью или частично плохо проницаемыми породами. Такие коллекторы называют природными резервуарами. Естественное промышленное или непромышленное скопление нефти или газа или того и другого в породе-коллекторе, называется, соответственно, нефтяная, газовая и нефтегазовая залежь, а совокупность залежей нефти и газа, занимающих в недрах земной коры определенную площадь, называется место-

рождением нефти и газа.

Существующие представления о происхождении нефти (газа) основаны на предположении, что образовавшиеся при определенных условиях нефть и газ, попав в природный резервуар, заполненный водой, вследствие увеличения горного давления перемещаются (выжимаются) к его верхней части и скапливаются в так называемой ловушке. В природе существуют самые разнообразные ловушки, среди которых наиболее распространены

сводовые (рис. 12).

Расположение (распределение) воды, нефти и газа в залежах подчиняется закону гравитации. В соответствии с этим законом в своде залежи наиболее повышенную часть коллектора (ловушки) занимает свободный газ. Ниже располагается нефть, еще ниже вода. Если залежь не содержит свободного газа, то нефть занимает наиболее повышенную часть структуры. Когда в залежи имеется только газ и вода, они также размещаются согласно своим плотностям.

Общие понятия о запасах полезных ископаемых. Запасы полезных ис-

копаемых - это количество полезных ископаемых в недрах Земли, установленное по данным геологоразведочных работ или в процессе разработки месторождений.

Подсчет запасов и определение прогнозных ресурсов полезных ископаемых, являясь итогом геолого-промышленной оценки месторождений, выполняется для месторождений или его участка, рудных полей, бассейнов, регионов, стран, континентов, акваторий и Земли в целом. Запасы измеряются в единицах объема или массы: природный газ, нерудные полезные ископаемые и строительные материалы – в м3; нефть, уголь, руды – в т; благородные металлы, редкие элементы – в кг; алмазы – в каратах.

Данные о запасах полезных ископаемых используются при разработке схем развития отраслей народного хозяйства, добывающих и исполь-

17

зующих минеральное сырье; составлении планов экономического и социального развития государства; планировании геологоразведочных работ; для проектирования горных предприятий. Для разработки долговременных планов развития минерально-сырьевой базы и установления возможностей удовлетворения перспективной потребности в минеральном сырье предусматривается количественная оценка прогнозных ресурсов полезных ископаемых, представляющих собой возможное количество полезных ископаемых в геологически слабо изученных участках земной коры.

Прогнозные ресурсы твердых полезных ископаемых оцениваются комплексно до глубин, доступных для эксплуатации при современном или возможном в ближайшей перспективе технико-экономическом уровне разработки месторождений, с учетом особенностей качества и технологических свойств данного вида минерального сырья.

Прогнозные ресурсы нефти и газа оцениваются в пределах крупных регионов, нефтегазоносных провинций, акваторий, областей районов, площадей. Количественная оценка прогнозных ресурсов нефти и газа производится по результатам предварительных региональных исследований и по аналогии с другими более изученными регионами с доказанной промышленной нефтегазоносностью.

Прогнозные ресурсы подземных вод учитывают возможность обна-

ружения новых месторождений подземных вод, предполагаемое наличие и масштаб которых основывается на общих гидрогеологических представлениях и данных опыта эксплуатации подземных вод аналогичных водоносных горизонтов на известных месторождениях.

В целом, общие запасы месторождения (рис.13) или его части называются геологическими ( Zгеол ). По народнохозяйственному значению геоло-

гические запасы подразделяются на две группы, подлежащие отдельному учету: балансовые (Zбал) и забалансовые (Zзаб )

Zгеол Zбал Zзаб .

Балансовые запасы (Zбал) – разведанные и изученные запасы, удов-

летворяют промышленным кондициям, и экономически выгодны для разработки.

Забалансовые запасы (Zзаб) – разведанные и изученные запасы, но

вследствие низкого содержания полезного компонента, малой мощности рудного тела, сложности условий его разработки или вследствие необходимости применения очень сложных процессов переработки не могут быть использованы в настоящее время, но могут рассматриваться как объект освоения в будущем.

При составлении проекта на разработку месторождения иногда часть его запасов не предусматривают для извлечения и оставляют в охранных целиках под различными сооружениями и объектами. Эту часть балансовых за-

пасов относят к проектным потерям (Zпп) , а оставшуюся часть, подлежа-

18

щую извлечению – к промышленным запасам(Zпром)

Zбал Zпром Zпп .

Впроцессе разработки избежать потерь полезного ископаемого практически невозможно. Их величина во многом зависит от геологических факторов и применяемой техники и технологии добычи. Поэтому извлекаемые

запасы (Zизвл) определяется разностью между промышленными запасами и

эксплуатационными потерями(Zэп)

Zизвл Zпп Zэп .

Фактический уровень потерь полезного ископаемого для различных месторождений колеблется в широких пределах. Например, на угольных месторождениях с пологими и наклонными пластами средней мощности потери достигают 10-15%, с мощными крутонаклонными и крутыми – 25% и

более.

примесями пустой породы называют рудной массой, а все извлекаемые горные породы (рудная масса и пустые породы) – горной массой.

По степени изученности месторождения запасы полезного ископаемого подразделяются на разведанные запасы категорий А, В,С1 и предвари-

тельно оцененные – категория С2 . Подразделение запасов на категории

учитывает различия в достоверности определения, снижающейся последовательно от категории А к категории С2 . Составление проектов на строи-

тельство новых и реконструкцию действующих горных предприятий разрешается только при наличии балансовых запасов, утвержденных по запасам с определенным соотношением категорий А, В,С1 .

Более подробная информация о категориях запасов месторождений приведена в табл. 3.

19

Одним из основных критериев подготовленности месторождения для промышленного освоения является соотношение различных категорий балансовых запасов, полученное при проведении на месторождении (части крупного месторождения) геологоразведочных работ. Используемые при проектировании предприятий по добыче твердых полезных ископаемых, установленные балансовые запасы с учетом сложности геологического строения месторождения должны иметь соотношение запасов различных категорий, указанное в табл. 4. Используемые при проектировании предприятий по добыче нефти и газа утвержденные извлекаемые запасы нефти и конден-

сата, балансовые запасы газа должны иметь соотношение: категории С1 не менее 80%, а С2 не более 20%.

Таблица 4. Соотношение балансовых запасов различных категорий, используемых при проектировании предприятий по добыче твердых полезных ископаемых

В процессе разработки месторождения разведка не прекращается. Бурением скважин и проведением выработок уточняют контуры и качество рудных тел. Разведка, ведущаяся одновременно с разработкой месторождений полезных ископаемых, называется эксплуатационной. В результате таких работ категории разведанности запасов повышаются, а также меняется соотношение балансовых и забалансовых запасов.

Выемка полезных ископаемых, естественно, приводит к уменьшению балансовых запасов. Происходит изменение состояния запасов, называемое

движением запасов.

На горных предприятиях геолого-маркшейдерской службой ведется строгий учет состояния и движения запасов, с осуществлением оперативного перерасчета запасов.

21

1 ОСНОВЫ МЕХАНИКИ И ВИДЫ РАЗРУШЕНИЯ ГОРНЫХ ПОРОД

1.1. Горные породы и их основные физико-механические свойства

Объектами воздействия горных выработок (в том числе скважин) являются все виды горных пород: коренные, залегающие в толще земной коры по месту своего образования, и покрывающие их наносы – породы измельченные, переотложенные или перенесенные. Их свойства определяют выбор оборудования, характер и параметры технологического процесса горных и буровых работ.

Термин горная порода предполагает минеральное образование, не являющееся объектом извлечения полезных компонентов при разработке месторождений. В зависимости от состояния, характеристики горных пород могут отличаться друг от друга. Поэтому целесообразно выделить понятия

породный массив и породный образец, а также степень связности горных пород в массиве.

Породный массив – это геологическое тело интрузивного или осадочного происхождения, в виде многокомпонентной среды, состоящей из твердой фазы (любые, как правило, трещиноватые породы с различными свойствами), а также жидких и газообразных включений, имеющих различный характер связи с твердыми составляющими массива. До проведения горных работ породный массив называется нетронутым массивом.

Породный образец – это отобранные из массива представительный кусок породы или отрезок керна для экспериментального определения свойств горной породы.

По степени связности горные породы разделены на скальные, связ-

ные, рыхлые (сыпучие) и плывучие.

Скальные породы характеризуются наличием между минеральными частицами значительных сил сцепления, которые после разрушения не восстанавливаются. Такие породы могут быть монолитными или трещиноватыми. Стенки горных выработок (скважин), пройденных в монолитных скальных породах, устойчивы, в то время как в сильно трещиноватых породах требуют закрепления.

Связные породы (глины, суглинки, мел, бокситы и др.) отличаются тем, что силы сцепления между частицами этих пород обеспечиваются за счет пленочной, капиллярной и свободной воды и могут сильно изменяться в зависимости от степени увлажнения, характера цементирующего вещества, фракционного состава и формы частиц. Эти породы дают большие остаточные деформации без нарушения связности. В сухом и мерзлом состоянии связные породы по свойствам близки к скальным.

Рыхлые (сыпучие) породы представляют собой скопление не связанных между собой частиц различной формы и размеров (песок, гравий, галь-

22

ка, валуны и др.). Стенки горной выработки (скважины) в этом случае неустойчивы, склонны к обвалам и требуют закрепления.

Плывучие породы (плывуны) – это водонасыщенные песчаноглинистые породы. Отличительной особенностью данных пород является их способность расплываться; под влиянием горного давления они способны сохранять постоянный уровень в выработке или, например, подниматься на некоторую высоту по стволу скважины.

Горные породы обладают тем большей прочностью, чем тверже минеральные зерна, чем крепче между ними связь, чем плотнее они связаны цементом и чем большей твердостью обладает цементирующий материал.

Физико-механические свойства объединяют физические и механические свойства и параметры горных пород, влияющие на процесс их разрушения.

Физические свойства характеризуют физическое состояние пород. Механические свойства выражаются в способности горных пород

оказывать сопротивление их разрушению.

Известно более ста физико-механических свойств горных пород. При этом для решения инженерных горно-буровых задач можно выделить минимально необходимое, но достаточное количество характеристик породы, определяющих в конечном итоге выбор технико-технологических условий процесса проведения выработок и бурения скважин.

С точки зрения механического разрушения горных пород важнейшими показателями физических свойств пород являются плотность, объемный вес и пористость. Эти свойства в значительной степени определяют прочность горных пород и сопротивление их разрушению.

Плотность – отношение массы агрегатных фаз породы m к объему, занимаемому этими фазами V

Vm , кг/м3.

Разрыхленные горные породы характеризуются насыпной плотностью ( н )

н Кр , кг/м3,

где Кр - коэффициент разрыхления, который представляет собой отношение объема разрыхленной породы Vр к объему ее в массиве V . При

известном коэффициенте крепости пород f , физический смысл которого будет рассмотрен ниже, параметр Кр может быть рассчитан по формуле

Кр 0.16 f 1.34 .

23

Наименьшую разрыхляемость имеют песчанистые и глинистые породыКр 1.35 1.2 ; наибольшую – хрупкие породы Кр 1.3 1.8 .

Объемный (удельный) вес – отношение веса агрегатных фаз породы ( G ) к объему, занимаемому этими фазами V

VG , Н/м3

Пористость определяется совокупностью всех пустот в горной породе между минеральными зернами, образующими минеральный скелет по-

роды и выражается в процентах, относя объем пор Vп к полному объему породы V

П VVп100% .

Пористость может характеризоваться также коэффициентом пористости, равным отношению объема пор Vп к объему твердой фазы (скелета)

в данном объеме породы Vо

Кп VVпо .

Общая пористость По рассчитывается по значениям плотности минерального вещества и плотности породы

По 100% .

При этом коэффициент общей пористости устанавливается из соот-

ношения Кп .

Пористость ослабляет прочность горных пород. Осадочные породы обладают повышенной пористостью, например, для песков Кп = 0,5 - 55, для

известняков и доломитов Кп = 0,4…0,45. С увеличением глубины залегания

пористость пород уменьшается.

В цикле проведения горных выработок и бурения скважин используются достаточно ограниченный набор механических свойств и технологических параметров пород. К наиболее важным, определяющими способности горных пород сопротивляться разрушению, относятся такие признаки и ха-

рактеристики, как: деформационные свойства; механическая прочность; крепость; твердость; абразивность; трещиноватость.

24

Деформационные свойства (упругость, хрупкость и пластичность) – свойства горных пород изменять свою форму под действием внешних нагрузок.

Упругость – свойство породы изменять и восстанавливать свою форму и размеры после прекращения действия внешних сил. В твердом теле это свойство проявляется в виде упругих деформаций.

Для общей оценки поведения пород при воздействии на них механических нагрузок служат показатели упругих свойств горных пород (модули упругости и сдвига, коэффициент Пуассона).

Модули упругости определяют при испытании образцов горных пород на сжатие, растяжение, изгиб и сдвиг.

В общем случае модуль продольной упругости Е (модуль Юнга) оп-

ределяется при испытании образцов на сжатие или растяжение и представляет собой отношение действующего нормально к плоскости напряжения

н к относительной линейной деформации образца L в направлении действия приложенной нагрузки

Eн , Па,

L

где L LL ; L - абсолютная деформация; L - база, на которой из-

мерена деформация L .

Величину модуля сдвига при испытании горных пород на кручение вычисляется по формуле

G Ku lсдmax

где Ku коэффициент, зависящий от соотношения размеров образца и длины той его части, которая подвергается кручению; max - величина интервала приращения касательных напряжений при испытаниях; lсд - соот-

ветствующая величина закручивания.

Коэффициент относительной поперечной деформации (коэффици-

ент Пуассона), - устанавливает отношение между поперечной и продольной относительными деформациями, соответственно , d и L .

d .

L

Для большинства горных пород 0.15 0.35 (табл. 1.1).

Модули Юнга, сдвига и коэффициент Пуассона связаны между собой соотношением

Таблица 1.1. Значения коэффициента Пуассона для различных пород

Хрупкость – свойство горной породы разрушаться без заметной пластической деформации под действием внешних сил. Свойство характеризу-

ется коэффициентом хрупкости Кхр , представляющим собой отношение работы упругой деформации породы Ауп к общей работе Аоб , затрачивае-

мой на деформацию и разрушение пород под пуансоном Кхр Ауп .

Аоб

Для упруго-хрупких пород Кхр 1 ; для упруго-пластичных пород Кхр 1 ; для идеально пластичных пород Кхр 0 .

Пластичность - свойство горной породы необратимо деформироваться без микроскопических нарушений сплошности под действием механической нагрузки. Наиболее пластичные горные породы: глины, графит, каменная соль. С ростом температуры и давления пластичность пород увеличивается. Так, под давлением 1-2 МПа, гранит, и диабаз становятся пластичными.

Наиболее часто пластические свойства пород характеризуются условным коэффициентом пластичности Кпл , который вычисляется как отноше-

ние общей работы деформирования породы при вдавливании штампа на глубину, равную его диаметру ( Аоб ), к работе затрачиваемой на упругое

деформирование породы тем же штампом ( Ау ), - Кпл Аоб .

Ау

По величине Кпл все породы разделены на шесть категорий (табл.

1.2). Условный коэффициент пластичности пород, не дающих хрупкого разрушения принимается равным бесконечности.

Таблица 1.2. Значения Кпл для разных категорий пород

* - Преимущественно хрупкие, изверженные и метаморфические породы (кремни, кварциты, окремнелые разновидности известняков и доломитов).

26

**- Преимущественно пластично-хрупкие породы (алевролиты, известняки, ангидриты, доломиты и песчаники).

***Высокопластичные и сильнопористые породы (глины, аргиллиты

инаиболее пористые разновидности алевролитов, песчаников и известняков).

Упруго-хрупкие породы ( Кпл =1) наиболее целесообразно разрушать

путем ударного воздействия и раздавливания. Для разрушения пластичнохрупких пород (1< Кпл <6) допустимо режуще и режуще-скалывающее воз-

действие. Разрушение пластичных пород ( Кпл >6) наиболее эффективно

обеспечивается резанием.

Механическая прочность пород представляет собой способность сопротивляться разрушению под действием внешних нагрузок сжатия, растяжения, скалывания (сдвига) и изгиба. Чем выше предел прочности горной породы, тем больше энергии расходуется на ее разрушение.

Прочность на одноосное сжатие ( сж ) – это предельное напряже-

ние, при котором образец горной породы начинает разрушаться. Это свойство горной породы существенно зависит от минералогического и петрографического состава породы.

сж FР , Па.

где P – вертикальная нагрузка, при которой происходит разрушение образца породы, Н; F - площадь сечения образца, м2.

Значения сж для некоторых пород приведены в табл. 1.3.

Таблица 1.3. Пределы прочности пород на сжатие

В горном деле, для практических расчетов предела прочности пород на растяжение используется зависимость р 0,1 сж .

Для получения прочностных характеристик массива горной породы через прочность образцов в расчеты вводится коэффициент структурного

ослабления Кс 0,2...0,9 (отношение прочности пород в массиве к прочности в куске). Коэффициент Кс функционально зависит от отношения ли-

нейного размера рассматриваемой области массива В (например, ширины или высоты выработки), к среднему размеру структурного блока-куска b

(рис. 1.1). Для Вв 14 , - Кс 0.2 .

Уменьшение прочности массива пород в результате увеличения длительности воздействия нагрузки учитывается коэффициентом длительной прочности . Он равен отношению

испытавших пластические деформации перед разрушением (песчанистые, углистые сланцы, известняки средней крепости и т.п.), =0,5…0,7.

С учетом отмеченного пределы прочности массива пород на сжатие Rсж и растяжение Rр устанавливаются зависимостями

Прочность на скалывание (сдвиг) определяется методом одностороннего среза. Аналитическая зависимость для определения прочности пород

на скалывание аналогична определению сж . При этомск 0,06 0,1 сж . Поэтому желательно, чтобы породоразрушающий ин-

струмент производил в основном скалывание породы.

Такие свойства как крепость, твердость, абразивность, буримость; угол естественного откоса, коэффициент и угол внутреннего трения условно можно отнести к горно-технологическим параметрам. Они устанав-

ливаются эмпирическим путем и характеризуют поведение пород при воздействии на них инструментом, рабочим органом горных машин или технологией ведения горных работ.

Крепость – способность горной породы сопротивляться разрушению от действия внешних сил. Наибольшее распространение получил способ определения крепости горной породы по временному сопротивлению на

28

раздавливание. Крепость характеризуется коэффициентом крепости, уста-

теризующим относительную сопротивляемость пород разрушению. Твердость – способность горной породы оказывать сопротивление

проникновению в нее другого, более твердого тела (местное приложение нагрузки). Твердость влияет на механическую скорость бурения скважин и шпуров.

Абразивность - способность горной породы изнашивать породоразрушающий инструмент или контактирующие с породой рабочие органы по- грузочно-транспортных горных машин, и т.п. Количественная характеристика абразивности пород необходима для создания и совершенствования конструкций и материала породоразрушающего инструмента для работы в различных горно-геологических условиях, проектирования оптимальных параметров режима разрушения пород, а также для установления рациональных областей применения различных резцов горных машин, коронок и долот.

Определение абразивности сводится к установлению интенсивности воздействия породы на материал инструмента при трении между ними.

Один из методов определения относительной абразивности заключается в оценке степени износа эталонных стержней диаметром 8 мм, которые истираются при контакте с породой под нагрузкой 150 Н и скорости вращения 400 об/мин. Износ стержней при этом, выраженный через потерю массы стержня в мг, принимается за показатель абразивности ( a ).

Величина a изменяется от 5 мг для малоабразивных пород (извест-

няки, мрамор, каменная соль, глинистые сланцы и др.) до 90 мг и более (корундосодержащие кварцевые породы).

Буримость породы – это степень трудности разрушения тех или иных горных пород. Исходя из этого, различают породы труднобуримые и легко буримые. В некоторых случаях буримость определяют, как способность породы разрушаться на забое под действием внешних сил, приложенных к породоразрушающему инструменту.

Угол естественного откоса – угол между горизонтальной плоскостью и образующей конуса, форму которого приобретает сыпучая порода

в естественном состоянии. Среднее значение для сыпучих пород

28 30о.

Коэффициент ( fT ) и угол внутреннего трения ( ). В отличие от

внешнего трения, под которым понимают сопротивление взаимному перемещению контактирующих тел, внутреннее трение – это сопротивление, возникающее при относительном перемещении отдельных частей в самом теле при его деформировании.

29

По аналогии с внешним трением, под коэффициентом внутреннего трения понимают отношение силы трения FT к величине нормальной на-

грузки Pн

Коэффициент трения может быть найден по значениям прочности образцов на одноосное сжатие сж и растяжение ( р ).

Обе формулы дают близкие результаты при f 9 . Левая формула пригодна для пород, у которых f 2 .

Весьма существенное значение для обоснования технологии горных работ в процессе разведки и разработки имеют такие характеристики по-

родных массивов, как трещиноватость, проницаемость и устойчивость.

Трещиноватость – нарушение монолитности породного массива в виде совокупности трещин разных размеров и направлений, обычно сообщающихся между собой. Группа трещиноватости пород характеризуется количеством и размерами трещин и в общем случае связана с коэффициентом

структурного ослабления Кс (табл. 1.4).

Таблица 1.4. Характеристика пород по трещиноватости.

Проницаемость (мера фильтрационной проводимости трещиноватопористых пород) – способность горной породы пропускать через себя жидкость, газ и газожидкостную смесь при наличии гидростатических давлений. Большинство осадочных пород, за исключением глин, аргиллитов и каменной соли - проницаемы. В зависимости от коэффициента проницаемости ( Кпр ) горные породы подразделяются на 6 групп (табл. 1.5):

30

Таблица 1.5. Группы пород по проницаемости.

Устойчивость (табл. 1.6), характеризует способность пород не обрушаться при обнажении снизу или с боков, и имеет большое влияние на выбор средств поддержания выработок. Устойчивость пород зависит от их прочностных показателей, трещиноватости и в некоторых случаях – водопроницаемости.

Количественные характеристики устойчивости пород принимаются различными не только в отраслях горнорудной промышленности, но даже в отдельных бассейнах.

Таблица 1.6. Группы пород по устойчивости

1.2. Классификации горных пород

При проектировании, нормировании и производстве горных работ пользуются различными классификациями пород, в которых последние разделены на классы по тем или иным их свойствам, определяющим способ или эффективность выполнения производственных процессов.

Изучая вопросы добываемости горных пород, крупнейший русский ученый М.М. Протодьяконов выявил зависимость между их прочностными свойствами и сопротивляемостью при различных процессах горных работ. В 1926 г. им была предложена классификация горных пород по коэффициенту крепости, пользующаяся до настоящего времени наибольшим распространением (табл. 1.7).

Таблица 1.7. Классификация горных пород по крепости

Для расчета норм выработки на бурение шпуров в геологоразведочных организациях и на горных предприятиях пользуются единой классифи-

кацией пород по буримости, разделенных на 20 категорий (I -XX).

Основным критерием для отнесения пород в ту или иную категорию по буримости ( Кб ) служит машинное время бурения 1 м шпура в стандарт-

ных технических условиях.

Сопоставление категорий пород по классификации М. Протодьяконова ( f ) и показателей по буримости ( Кб ) представлены в табл. 1.8.

Таблица 1.8. Сопоставление показателей пород по буримости и крепости

С учетом того, что в сыпучих, малосвязных и мягких породах геологоразведочные выработки во многих случаях проходят с ручной выемкой, в действующих единых нормах времени (ЕНВ) выделена классификация горных пород по способам ручной выемки (табл. 1.9).

Таблица 1.9. Классификация горных пород по способам ручной выемки

IIШтыковыми лопатами с частичным предварительным рыхлением

IIIШтыковыми лопатами со сплошным рыхлением кирками и частично ломами

VШтыковыми лопатами со сплошным рыхлением кирками, ломами и частично клиньями, отбойными молотками, или буровзрывная отбойка

Вразличных ведомствах для нормирования горных и геологоразведочных работ пользуются целым рядом других классификаций, составленных применительно к тем или иным производственным условиям или операциям рабочих процессов.

Для проектирования и нормирования вращательного механического бурения в настоящее время используется классификация, включающая 12 категорий пород по буримости (табл.1.10).

Воснову классификации положена фактическая механическая скорость

бурения (Vмех ) для пород с различными петрографическими характеристиками, установленная по хронометражным данным.

33

Вместе с тем, такая классификация, скорее всего, может иметь временный и местный характер, так как значение истинной буримости пород не может быть вне зависимости от геологической специфики района работ и уровня развития технологии и техники бурения в данный период.

Таблица 1.10. Классификация горных пород по буримости для враща-

1.3. Виды разрушения горных пород

Разрушение горных пород происходит в результате отрыва (при превышении нормальных растягивающих напряжений) или скалывания, сдвига, среза (при превышении касательных напряжений). При растяжении порода разрушается преимущественно на отрыв, при сжатии – на скалывание. В сложных случаях эти явления сопутствуют друг другу.

В общем случае отмечаются следующие виды разрушения горных пород: поверхностное, усталостное и объемное.

Поверхностное разрушение имеет место тогда, когда на контакте лезвий породоразрушающего инструмента с породой возникает напряжение меньше прочности породы на вдавливание (твердость), т.е.

FP Pш ,

где P – осевая нагрузка на породоразрушающий инструмент; F - общая площадь контакта рабочих элементов породоразрушающего инстру-

мента с породой; Рш - твердость породы при вдавливании пуансона.

В этом случае разрушение породы будет происходить только вследствие трения, т.е. это абразивный износ. Этот вид разрушения не эффективен.

Усталостное разрушение происходит в том случае, если вначале процесса FP Pш , но в результате многократного силового воздействия на по-

роду в ней развивается система микротрещин, поэтому твердость породы забоя постепенно снижается, и периодически возникают условия для объемного (полного) разрушения.

Объемное разрушение возникает тогда, когда на контакте резцов (зубков) породоразрушающего инструмента с породой возникает напряжение, превосходящее твердость пород на вдавливание (предельное напряжение

массива горной породы). В этом случае FP Pш , и породоразрушающий ин-

струмент при вращении будет эффективно разрушать породу.

При этом следует помнить, что при бурении происходит износ и затупление резцов, поэтому величина F в процессе бурения будет увеличиваться. При работе с заточенными резцами вначале наблюдается объемное разрушение, которое вследствие затупления резцов переходит в усталостное и, наконец, в поверхностное. В связи с этим надо стремиться производить, например, бурение при объемном разрушении породы и извлекать породоразрушающий инструмент из скважины для его замены на стадии усталостного разрушения.

35