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 σсж, сдвига σсдв и растяжения σраст 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:
σр = κ1σсж + κ2σсдв + κ3σраст.
Значения коэффициентов к1, к2, 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:
σр = ⅓ (σсж + σсдв + σраст).
Предельное сопротивление разрушению породы в массиве σрм отличается от сопротивления разрушению образца σр и зависит от его трещиноватости и от плотности породы ρп:
σрм = kтрσр + kпlρп,
где kтр — коэффициент влияния трещиноватости, значение которого неодинаково для различных процессов разрушения; кп — 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:
σр = ⅓ kтр (σсж + σсдв + σраст) + 33 ρп.
Для практических расчетоврекомендуется пользоваться общим безразмерным показателем трудности разрушения породы:
Птр = 0,005kтр (σсж + σсдв + σраст)+0,5 ρп.
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 σсж и сдвиге σсдв, 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
Птр = 0,007 (σсж + σсдв )+0,7 ρп.
Все горные породы в соответствии с величиной Птб классифицируются на пять классов и на 25 категорий по буримости. Введение показателя Птб 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
qэ = K (σсж + σсдв + σраст)+K2 ρп.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.