« РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК ИНСТИТУТ ПРОБЛЕМ КОМПЛЕКСНОГО ОСВОЕНИЯ НЕДР ИПКОН РАН На правах рукописи ...»
На основании полученных данных был построен график зависимости показателя неоднородности массива горных пород от отношения прочности пород на сдвиг к прочности пород на сжатие. Для этого по оси Y отложены значения показателя неоднородности массива горных пород Пн, а по оси Х отношение прочности горных пород на сдвиг к прочности пород на сжатие Рис.3.5.
Рис.3.5 График зависимости показателя неоднородности массива горных пород от отношения прочности пород на сдвиг к прочности пород на сжатие на месторождении Гросс и Таборное.
Учитывая указанную тенденцию, полученную на Рис.3.5, была получена кривая, которую можно аппроксимировать выражением вида:
(3.21)
где: а = 3
d =/сж
Пн – показатель неоднородности массива горных пород;
. –прочность горных пород на сдвиг [МПа];
сж.- предел прочности на сжатие [МПа];
Исходя из полевых наблюдений на карьере Таборное, по пустой породе отчетливо видна направленная трещиноватость с расстоянием между трещинами 5-20 см. Для рудных пород карьера характерно интенсивное развитие хаотической трещиноватости. Трещины извилистые, взаимно пересекающиеся, различной протяженности от первых сантиметров до нескольких метров. Насыщенность пород трещинами – высокая. Мощность трещин изменяется от нитевидных до 2-3 см. Открытые трещины, как правило, наиболее широкие и протяженные. Протяженность наиболее мощных трещин на прослеженных участках достигает 3-5 м. Согласно полевым наблюдениям среднее расстояние между поверхностями ослабления пород (трещинами) взятых непосредственно в рудных областях карьера составляет около 5 – 10 см. Согласно таблицы 1 пункта 2.16 СНиП II – 94 – 80, если среднее расстояние между поверхностями ослабления пород менее 0,1 м коэффициент структурного ослабления составляет Кс = 0,2. Таким образом, анализ приведенных данных показывает, что расхождение величин показателя (коэффициента) структурного ослабления, определенных по результатам инструментальных наблюдений и рассчитанных по выведенной зависимости составляют -0,01...-0,03 при среднем квадратическом отклонении ±0,002 на месторождении Гросс и Табарное.
Безусловно, показатель неоднородности массива горных пород, определенный инженерно-геологическим путем непосредственно на самом месторождении, более точный, за счет того, что он учитывает в себе влияние масштабного эффекта. Однако, на месторождениях с неизученным характером процесса сдвижения массива горных пород, выражения (3.20) и (3.21) позволяет достаточно точно определить показатель неоднородности массива горных, что является наиболее актуальной задачей сегодняшнего времени.
Аналитические расчеты позволяют для конкретных условий получить единственное значение величины коэффициента структурного ослабления для определения прочности породного массива, а не принимать его по СНиПу. В свою очередь в классификации горных пород в массиве по трещиноватости по СНиПу приводятся значения коэффициента структурного ослабления, но данные значения являются частными значениями для типовых зданий и сооружений и удовлетворяют выражению 
, где l – среднее расстояние между поверхностью ослабления, поскольку используются без учета размеров выработки. Так как при проектировании развития горных работ необходимо знать не только среднее расстояние между поверхностями ослабления, но и размер выработки, т.е. 
, где L < 15м., была выведена рекомендованная зависимость определения коэффициента структурного ослабления.
ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 3
- Строение массива горных пород характеризуется отношением их сопротивления растяжению и сдвигу к сопротивлению сжатия, а состояние – отношением нагрузки на элементы массива к сопротивлению этой нагрузке.
- Установлена взаимосвязь показателя неоднородности массива горных пород с коэффициентом структурного ослабления, позволяющая определять свойства горных пород в массиве на основании материалов лабораторных исследований.
- Доказано, что показатель неоднородности массива горных пород находится в следующей зависимости от отношения прочности пород на растяжение или на сдвиг к прочности пород на сжатие:
(1)
(2)
где: а = 2 и = рас/сж в выражении (1);
а = 3 и d = /сж в выражении (2).
- Разница между показателями структурного ослабления, рассчитанного по выведенной зависимости и определенного в натурных условиях, составляет 15-20%
- Разработанная методика определения свойств, строения и состояния массива горных пород в лабораторных условиях позволяет получить необходимые для проектирования предприятий исходные данные до начала горных работ на этих предприятиях.
- Выдвинута и экспериментально подтверждена гипотеза о наличии подобия в структуре горных пород на микро и макро уровнях.
УСТАНОВЛЕНИЕ КРИТЕРИЕВ ПОДОБИЯ МЕСТОРОЖДЕНИЙ И СОСТАВЛЕНИЕ ИХ КЛАССИФИКАЦИИ
- О состоянии классификации месторождений полезных ископаемых
Классификация – один из элементов методологического базиса любой науки. Значение классификации велико, в частности, как средства «свертывания информации», как средства для выработки и определения понятий, как эффективного средства организации познавательной деятельности. Классификация имеет также и огромное содержательное значение: она – своего рода зеркало, в весьма обобщенном виде отражающее содержание науки в целом или того раздела науки, к которому эта классификация относится. В науках по преимуществу описательных, в которых доля дедуктивно получаемого знания относительно невелика, разработке классификаций уделяется большое внимание.
Чем более развита описательная наука, чем больший объем информации охватывает классификация, тем больше классификация структурирована, иерархизирована. При этом исторически развитие классификации идет, как можно считать, и «вниз», все более детализируя разнообразие объектов классификации, и «вверх», модифицируя наиболее крупные классы классификации, классы верхних классификационных уровней.
При этом деление классифицируемых объектов на верхних уровнях классификации, как правило, исторически более устойчиво. Изменение верхних классов классификации происходит относительно редко (например, в классификации месторождений полезных ископаемых – примерно в течение 50 лет деление на верхних уровнях квазистабильно, в течение последующих 50 лет – происходит постепенная смена существующего деления новым, в течение еще 50 лет новое деление квазистабильно и так далее) [53].
Проблема классификации месторождений полезных ископаемых в первую очередь для верхних уровней этой классификации – проблема выделения наиболее крупных, логически первоочередных разновидностей МПИ. При этом здесь еще не предлагается готовая классификация МПИ (хотя бы и на верхних уровнях), а лишь предпринимается попытка определить стратегию ее построения. Для некоторых фрагментов этой разносторонней и разноуровневой проблемы – как предмет для обсуждения – предлагаются возможные варианты решения или направления дальнейших разработок.
Основные методологические посылки, определяющие характер рассмотрения проблемы классификации МПИ, могут быть сведены, пожалуй, к следующим. При рассмотрении этой проблемы следует стремиться использовать имеющийся опыт классификации МПИ. В этом смысле будем исходить из критического анализа классификации МПИ Д.А. Казаковского [25; 26].
Обсуждая проблемы классификации, следует иметь ввиду в качестве необходимого (пусть и не достаточного) условия решения классификационных проблем некий норматив удовлетворительной классификации. Ранее [53] в качестве такого норматива был предложен следующий список требований, которым должна отвечать классификация: заданность классифицируемого множества, единство основания деления, непересекаемость классов, числовое выражение границ классов, соразмерность деления (равенство объёмов делимого множества и объединения выделенных его подмножеств), отсутствие «скачка» в делении (отсутствие неделящихся классов), применимость классификации к сложным (комбинаторным) объектам, операциональная значимость классификационного основания. Нами было рассмотрено две позиции этого списка: единство основания деления классификации и применимость классификации к сложным объектам.
Единство основания деления - это, вероятно, первоочередное требование к классификации. При создании классификации следует стремиться к нахождению свойства, по которому можно было бы выделять типы объектов на всём уровне классификации, а не в отдельных группах классов, относящихся к этому уровню. Кроме того, что это способствовало бы выявлению наиболее существенных свойств классифицируемых объектов [54].
Применимость классификации к сложным объектам, напротив, - особенность классификации, относительно редко являющаяся предметом внимания создателей классификации. Между тем, по какому бы свойству ни выделялись перечни непересекающихся между собой классов, всегда необходимо иметь ввиду возможность существования классов сложных, комбинаторных объектов, обладающих признаками нескольких классов. Так, например, если в классификации выделяются эндогенные и экзогенные МПИ, следует иметь ввиду существование эндогенно-экзогенных [54] месторождений, обладающих признаками и тех, и других. Но даже если в классификации не выделяются классы сложных объектов, всегда следует иметь ввиду возможность существования сложных – для данного перечня классов – объектов.
Основные содержательные посылки, из которых мы будем исходить при рассмотрении проблемы классификации МПИ – это необходимость очертить круг исходных понятий и определить их, а также определить относительный приоритет характеристик (групп характеристик) месторождения полезного ископаемого в качестве возможного основания классификации МПИ.
4.2 Оценка состояния классификаций критериев подобия месторождений полезных ископаемых
Свойства массивов горных пород достаточно разнообразны, и для описания их характеристик возникла необходимость систематизации и сведения к общему числовому показателю [42].
Классификации массивов являются основой эмпирического подхода к проектированию различных сооружений в массивах и нашли в этой области широкое распространение.
Целью введения первых таких классификаций было объединение усилий геологов и горных инженеров для принятия решений по выбору крепления выработок на основе свойств массива. Использование расчетных рейтинговых показателей массивов, на основе полученных геомеханических данных дает возможность обосновать первоначальные проектные решения с дальнейшей их корректировкой по мере получения новых данных.
Необходимо понимать, что использование классификаций не может заменить более тщательно разрабатываемые проекты технологических процессов на основе детальных данных. Тем не менее, использование этих проектных систем требует наличие относительно детальной информации о давлении в нетронутом массиве, свойствах массива горных пород и возможном порядке отработки, которая не доступна на ранних стадиях проектирования. Как только данная информация становится доступной, можно пересмотреть схему классификации массива горных пород и использовать ее в сочетании с более детальным анализом характеристик. Применение классификаций горных массивов по критериям их устойчивости насчитывает более 100 лет.
Разработкой классификаций массивов горных пород занимались такие ученые, как Протодьяконов, Дир (RQD), Мюллер, Франклин, Терцаги, Лин, Ланди, Бартон, Бенявски (RMR), Романа (SMR), Лобшир (MRMR), Булычев, Агошков М.И. [42,75 и др].
Одной из первых попыток соотнести показатели устойчивости массивов горных пород к принятию определенных решений на их основе была сделана в 1879 году Риттером. Он с позиций теории упругости определял параметры свода естественного равновесия и пытался объяснить явление сводообразования и определения допустимых пролетов незакрепленной кровли горизонтальных выработок. Основной вклад Риттера заключался в предложении применить общий подход к проектам проходки выработок, в частности определению требований к системам крепления, на основе опытных данных.
Его теория не нашла практического применения из-за того, что она применима в весьма ограниченном числе случаев.
Ранние упоминания использования классификации массивов для выбора крепи выработок имеются в работе Терцаги (1946), где нагрузка на несущие оклады крепи оценивается на основе описывающей массив классификации. В настоящее время она практически не используется, но основное внимание в ней Терцаги уделяет характеристикам, которые имеют наиболее предопределяющее влияние на устойчивость массивов.
В 1958 г. Лоффер предположил, что время устойчивости для определенного пролета обнажения можно соотнести с геомеханическими характеристиками породы. В его классификацию были внесены изменения многими учеными, и сейчас она является частью подхода к проведению выработок. Одна из самых значительных концепций в его работе заключается в том, что увеличение пролета обнажения приводит к значительному сокращению времени устойчивости до установки крепи.
В 1967 г. Диром был предложен критерий устойчивости массива по данным кернового бурения названный «Индекс качества породы» (RQD). Показатель определяется как отношение общей длины кусков керна (длиной более 10 см) к общей его длине, где RQD – показатель, имеющий прямо пропорциональную зависимость от числа трещин и его значение может значительно изменяться в зависимости от направления бурения. Использование подсчета трещин в объеме массива уравнивает данную анизотропию и дает более наглядную оценку. Критерий Дира широко использовался в течение 25 лет для определения допустимого давления и выбора крепления, а в настоящее время, этот показатель, является существенным компонентом при подсчете рейтинговых показателей в других классификациях. Показатель трещиноватости, который лежит в основе данной классификации, имеет очень высокую степень влияния на устойчивость обнажений горных пород. В нашей стране также имеются методики расчета параметров крепей, в которых трещиноватость рассматривается как основной фактор. В работах С.В. Ветрова, С.Н. Чернышева четко определены основные термины и характеристики трещиноватости. Однако, как показывает практика, трещиноватость является одним из основных влияющих на устойчивость факторов, но не единственным, поэтому в дальнейшем стали появляться классификации, учитывающие сразу несколько параметров для оценки
Рис. 4.1 Развитие классификаций массивов по устойчивости
устойчивости массивов. В настоящее время, этот показатель, является существенным компонентом при подсчете рейтинговых показателей в других классификациях.
В 1972 г. Викхем предложил использовать количественный метод для описания качественных характеристик массива и для выбора соответствующего крепления на основе классификации RSR. В данной классификации продемонстрировано логическое направление в развитии систем количественной оценки массива горных пород. Это одна из первых попыток внедрения рейтинговых показателей в описание массивов. Рейтинг RSR складывается из трех составляющих: RSR = А+В+С. Параметр А представляет общую оценку геологического строения, В - учитывает влияние трещиноватости массива по отношению к направлению проведения выработки, С - влияние подземных водопритоков и трещиноватости. По графикам подбирали соответствующее крепление. В настоящее время RSR практически не используется, однако эта система являлась еще одним шагом в эволюции классификаций массивов.
В 1973 г. Бенявский предложил рейтинговый критерий устойчивости массива. В 1976 г. он опубликовал классификацию массивов горных пород, названную геомеханической классификацией или рейтингом массива горных пород (RMR). Одна из последних версий RMR была принята в 1989 г.
В классификации массивов используются следующие 6 параметров - прочность пород на одноосное сжатие; показатель качества пород RQD; расстояние между трещинами; условия трещиноватости; наличие подземных водопритоков; ориентация трещин.
Система RMR Бенявского основывалась на примерах подземного строительства гражданских сооружений, поэтому возникла необходимость составить специальную классификацию для горнодобывающей промышленности. Вследствие этого классификация была модифицирована и дополнена для возможности использования в горном деле.
Кендорским был изменен рейтинг Бенявского для практического его использования для систем с обрушением. Система получила распространение в США.
Лобшир (1977, 1984), Лобшир и Тейлор (1976) и Лобшир и Пейдж (1990) привели описание системы «горного рейтинга массива горных пород» (MRMR). Она базируется на RMR, но в нее были также внесены дополнительные параметры влияния давления нетронутого массива и привнесенного давления, изменения давления, влияния взрывных работ и выветривания
Необходимость систематизации и сведения к общему числовому показателю разрозненных данных описания характеристик массива возникла вследствие большого разнообразия свойств горных массивов. Между тем геомеханическое состояние массива горных пород входит в число основных исходных данных, на базе которых выбираются система разработки и ее параметры, виды крепи горных выработок и способы управления горным давлением, методы охраны сооружений поверхности и другие технические решения для месторождений с неизученными параметрами сдвижения.
4.3 Классификация горных пород в массиве по прочности
Очень часто в горной литературе используется понятие прочность горных пород. Прочность - свойство горных пород в определённых условиях, не разрушаясь, воспринимать воздействия механических нагрузок, температурных, магнитных, электрических и др. полей, неравномерное протекание физико-химических процессов в разных частях горных пород и др.
Различают прочность: теоретическую - вычисленную на основе учёта сил межатомного сцепления; статическую - свойство горных пород воспринимать кратковременную нагрузку, приложенную с постоянной скоростью; динамическую - свойство воспринимать, не разрушаясь, динамическую нагрузку; длительную - прочность горных пород, находящихся длительное время под нагрузкой; остаточную - уровень сохранившейся несущей способности разрушенной горной породы, равный соответствующим минимальным напряжениям при данной величине деформации, который порода выдерживает без дальнейшего деформирования и разрушения; электрическую - определяемую значениями напряжения пробоя.
Показателями, характеризующими прочность горных пород для различных случаев, являются: пределы прочности пород на сжатие сж, растяжение р, сдвиг сдв, изгиб изг, а также текучести тек, ползучести полз и др. Для большинства пород р не превышают 20 МПа и составляют примерно (0,1 - 0,02) сж. Пределы прочности пород при сдвиге, изгибе и др. видах деформаций всегда меньше сж и больше р, но более близки к последнему.
Для инженерных расчетов следует иметь в виду, что предел прочности массива значительно (в десятки, иногда сотни раз) меньше установленных пределов на образцах в лаборатории из-за наличия различных макронарушений.
Теория прочности разрабатывалась многими выдающимися учёными, среди которых были Проскуряков, Кулон, Кошелев, Мор, Протодьяконов и др.[59,35,17] Анализ литературы показал, что с увеличением глубины разработки деление пород на слабые, прочные и т.д. претерпевает изменения. В этой связи нет единой классификации горных пород в массиве по прочности. Так в работе Н.М. Проскурякова [59] приводится одна из классификаций вмещающих горных пород по прочности на одноосное сжатие сж (табл.4.1).
Таблица 4.1
Классификация горных пород по прочности по Н.М. Проскурякову.
| Тип вмещающих пород | Диапазон изменения сж, мПа |
| Слабые | 25–30 |
| Средней прочности | 40–80 |
| Прочные | 80–120 |
| Весьма прочные | >120 |
Несколько другие значения приводятся Кошелевым К.В. и др. [35] (табл. 4.2).
Таблица 4.2
Классификация прочности горных пород по К.В. Кошелеву.
| Группа пород | сж, МПа | f |
| Слабые | < 40 | < 4 |
| Средней крепости | 41–70 | 4–7 |
| Крепкие | 71–100 | 7,1–10 |
| Весьма крепкие | > 100 | > 10 |
В обеих классификациях используется один и тот же параметр - предел прочности на одноосное сжатие – сж. Проскуряков Н.М. к слабым относит породы с сж = 2530 МПа, а к породам средней прочности – с сж = 4080 МПа, т.е. имеется разрыв в диапазоне от 30 до 40 МПа. С учетом выше сказанного для глубин 800-1200 м можно пользоваться классификацией, приведенной в табл. 4.3
Таблица 4.3
Классификация горных пород в массиве по прочности
| Тип вмещающих пород по прочности | сж, мПа |
| Слабые | До 40 |
| Средней прочности | 40–80 |
| Прочные | 80–120 |
| Весьма прочные | Более 120 |
Проф. М. М. Протодьяконов в 1908 г. опубликовал классификацию крепости пород, в основе которой лежит их прочность на сжатие [60; 17]. Это была первая научнообоснованная классификация пород, позволившая подсчитывать затраты труда и материалов при ведении горных работ.
Согласно классификации проф. М. М. Протодьяконова (табл. 4.4), горные породы разделены на десять категорий, причем категории III, IV, V, VI и VII имеют две подкатегории.
Коэффициентом крепости f проф. М. М, Протодьяконов назвал величину временного сопротивления сжатию. Этот коэффициент характеризует относительную прочность породы и входит во многие эмпирические формулы, предложенные проф. М. М. Протодьяконовым [17].
f = 
или f = 
где: сж – в первом случае в [кг/см2], во втором в – [МПа].
Более точно величину f можно определить по выражению
f = 
Таблица 4.4
Классификация горных пород по крепости (шкала М.М. Протодьяконова)
| Категория | Степень крепости | Горные породы | Коэффициент крепости, f |
| 1 | 2 | 3 | 4 |
| I | В высшей степени крепости | Кварциты, базальты и др. | 20 |
| II | Очень крепкие | Граниты, порфиры, песчаники | 15 |
| III | крепкие | Граниты, песчаники, известняки | 8 - 10 |
| IV | Довольно крепкие | Песчаники, сланцы, железные руды | 5 - 6 |
| V | средние | Некрепкие песчаники и сланцы, плотный мергель | 3 - 4 |
| VI - X | Довольно мягкие, сыпучие, плывуны | Мягкие сланцы, мел, глины, пески, плывуны | 0,3 - 2 |
Анализ всех названных классификаций позволяет сделать вывод, что в рассмотренных классификациях горных пород в массиве на прочность используется один и тот же параметр - предел прочности на одноосное сжатие – сж. Проскуряков Н.М. к слабым относит породы с сж = 2530 МПа, а к породам средней прочности – с сж = 4080 МПа, т.е. имеется разрыв в диапазоне от 30 до 40 МПа. В приведенной классификации М.М. Протодьяконов к крепким пород относит - сж = 50100 МПа, а к породам очень крепким - сж = 150 МПа, т.е. имеется разрыв от 100 до 150 МПа. Приняв за основу все выше приведенные классификации, составим сводную таблицу классификаций горных пород в массиве по прочности (табл. 4.5). В рекомендуемой классификации сделан плавный переход от одного типа вмещающих пород к другому, без каких либо разрывов в числовых значениях предела прочности на одноосное сжатие. Это в свою очередь позволит с большей вероятностью определить принадлежность горных пород к тому или иному по прочности типу горных пород.
4.4 Классификация горных пород в массиве по трещиноватости. Коэффициент структурного ослабления
Трещины в горных породах составляют сложные пространственные сети. Строение сетей трещин определяет деформационные, прочностные, фильтрационные свойства массивов горных пород и слоистых толщ, закономерности размещения и технологию разработки месторождений многих полезных ископаемых.
Трещиноватость горных пород - это совокупность трещин различного происхождения и различных размеров, формы и пространственной ориентировки. Трещиной называют разрыв сплошности среды, величина которого на порядок и более превосходит межатомные расстояния в кристаллической решетке (т.е. более 10 -9 м).
По происхождению трещиноватость горных пород разделяется на нетектоническую, тектоническую и планетарную. Нетектоническая трещиноватость горных пород – это следствие растрескивания горных пород в процессе охлаждения (для магматических пород), уплотнения, дегидратации (для осадочных ГП). К нетектонической трещиноватости относится также технологическая трещиноватость, вызванная ведением горных работ, трещиноватость горных пород в зоне влияния горной выработки, вызванная БВР, горным давлением и т.д.
Тектоническая трещиноватость развивается в горных породах в связи с
тектоническими процессами, т.е. вызывается горо- и складкообразованием, глубинными подвижками платформ.
Планетарная трещиноватость связана с напряжениями, вызванными изменением частоты вращения Земли и ее формы. Существует большое количество классификаций трещиноватости горных пород. Так, Н.М. Проскуряков выделяет естественную трещиноватость, т.е. трещины, возникшие в горных породах без влияния горных работ, и технологические или эксплуатационные, т.е. трещины, образовавшиеся в боковых породах под влиянием очистной выемки. При этом естественная трещиноватость включает трещины кливажа и тектоническую трещиноватость.
Исходя из ориентации трещин относительно напластования, линии очистного забоя и взаимного расположения систем трещин Н.М. Проскуряков выделяет одиннадцать групп трещин. Устойчивость кровли в лаве предлагает оценивать количественно коэффициентами вывалообразования, уступообразования и коэффициентом трещиноватости кровли, равным
Таблица 4.5
Классификация горных пород в массиве по прочности
| Тип вмещающих пород по прочности | Коэффициент крепости, f | ||||||
| Н.М. Проскурякову | К.В. Кошелеву | М.М. Протодьяконова | Рекомендуемая | Н.М. Проскурякову | К.В. Кошелеву | М.М. Протодьяконова | Рекомендуемая |
| Слабые | Слабые | Довольно мягкие, сыпучие, плывуны | Очень низкая прочность | 2,5–3 | < 4 | 0,3 - 2 | 2,0 |
| Средней прочности | Средней крепости | средние | Низкая прочность | 4–8 | 4,1–7 | 3 - 4 | 2,1 – 5,0 |
| Прочные | Крепкие | крепкие | Средняя прочность | 8–12 | 7,1–10 | 5-10 | 5,1 – 10,0 |
| Весьма прочные | Весьма крепкие | Очень крепкие | Высокая прочность | >12 | > 10 | 15 | 10,1 – 15,0 |
| - | - | В высшей степени крепости | Очень высокая прочность | - | - | 20 | 15,1 |
(4.1)
где: КТ – коэффициент трещиноватости кровли;
lT – суммарная протяженность видимых трещин на участке призабойного пространства, охваченного трещинами, [м];
S0 – площадь этого участка, [м].
В.В. Ржевский и Г.Я. Новик классифицируют трещины по следующим пяти признакам: степени раскрытия, размерам, форме, геометрическому взаимоотношению трещин со слоистостью и углу наклона к горизонтали [64]. В справочниках взрывника и по креплению горных выработок приводятся также несколько отличные классификации горных пород по трещиноватости (таблица 4.6). В указаниях ВНИМИ приводится классификация горных пород в зависимости от интенсивности трещиноватости, то есть от размеров кусков, на которые делится керн или что то же – от расстояния между трещинами. Чем интенсивнее трещиноватость, тем меньше значение коэффициента структурного ослабления массива КС.
Таблица 4.6
Классификация горных пород в массиве по степени трещиноватости по В.В. Ржевскому.
| Категория трещиноватости пород | Степень трещиноватости (блочности) пород | Среднее расстояние между естественными трещинами всех систем, м |
| I | Чрезвычайно трещиноватые (мелкоблочные) | До 0.1 |
| II | Сильно трещиноватые (среднеблочные) | 0.1 - 0.5 |
| III | Среднетрещиноватые (весьма крупноблочные) | 0.5 - 1.0 |
| IV | Малотрещиноватые (весьма крупноблочные) | 1.0 - 1.5 |
| V | Практически монолитные (исключительно крупноблочные) | Свыше 1.5 |
Необходимо отметить, что Указания ВНИМИ 1986 года издания дают значения КС несколько выше, чем по СНиПу (таблица 4.7).
Таблица 4.7
Классификация горных пород в массиве по трещиноватости по СНиПу
| Категория пород по трещиноватости | Расстояние между поверхностями ослабления l, м | Коэффициент структурного ослабления, КС. |
| Практически монолитные | >1,0 | 0,9 |
| Малотрещиноватые | 0,5 - 1,0 | 0,8 |
| Среднетрещиноватые | 0,3 - 0,5 | 0,6 |
| Трещиноватые | 0,1 - 0,3 | 0,4 |
| Весьма трещиноватые | <0,1 | 0,2 |
Из всего выше сказанного вытекает, что в настоящее время нет единой классификации горных пород в массиве по трещиноватости. В.В. Ржевский приводит классификацию трещин по следующим пяти признакам: степени раскрытия, размерам, форме, геометрическому взаимоотношению трещин со слоистостью и углу наклона к горизонтали. В классификации В.В. Ржевского приводятся значения среднего расстояния между поверхностями ослабления, но нет никаких упоминаний о коэффициенте структурного ослабления. Поскольку состояние массива горных пород характеризуется коэффициентом структурного ослабления, то данный показатель должен быть ключевым в составлении классификации. В свою очередь в классификации горных пород в массиве по трещиноватости по СНиПу приводятся значения коэффициента структурного ослабления, но данные значения являются частными значениями для типовых зданий и сооружений и удовлетворяют выражению 
, где l – среднее расстояние между поверхностью ослабления, поскольку используются без учета размеров выработки. Так как при проектировании развития горных работ необходимо знать не только среднее расстояние между поверхностями ослабления, но и размер выработки, т.е. 
, где L < 15м., была составлена рекомендованная классификация состояния массива горных пород применяемая не только для зданий и сооружений, но и для месторождений с неизученным характером процесса сдвижения.
Таким образом, анализ всех названных классификаций позволяет принять для практических целей классификацию горных пород в массиве по трещиноватости, дополненную названиями категорий пород (табл. 4.8).
4.5 Определение состояния массива горных пород. Сведение всех классификаций к единой классификации
В настоящее время получили распространение классификации скальных массивов, позволяющие по ряду признаков дать общую оценку массиву и получить некоторые прогнозные характеристики поведения пород. При проектировании тоннелей за рубежом пользуется популярностью геомеханическая классификация скальных массивов проф. 3. Бенявского (Bieniawski) таблица 4.9 [83]. Эта классификация содержит, в частности, и оценку устойчивости кровли тоннеля.
Таблица 4.9
| Категория устойчивости | Степень устойчивости | Значение показателя S | Характеристика состояния пород |
| I | Вполне устойчивые | >70 | Вывалы и отслоения отсутствуют |
| II | Устойчивые | 5-70 | Возможны отдельные отслоения |
| III | Средней устойчивости | 1-5 | Возможно образование вывалов из кровли |
| IV | Неустойчивые | 0,05-1,00 | Вывалы вскоре после обнажения, вывалы в боках |
| V | Весьма неустойчивые | <0,05 | Обрушение вслед за обнажением |
Устойчивость пород (степень склонности их к вывалообразованию и обрушению в выработку) оценивается по величине показателя S (табл. 4.9), определяемого по формуле [10;11]:
(4.2)
где: f-коэффициент крепости пород по М. М. Протодьяконову; Км - коэффициент, характеризующий влияние степени трещиноватости пород; KN - коэффициент, учитывающий число систем трещин; KR -коэффициент, характеризующий влияние шероховатости стенок трещин; Kw - коэффициент, учитывающий увлажнение пород; Kt - коэффициент, характеризующий влияние раскрытия незаполненных трещин; КА - коэффициент, учитывающий заполнение трещин раздробленной породой или вторичными минералами; Ка - коэффициент,
| Категория пород по трещиноватости по методу | Расстояние между поверхностями ослабления по методу l, м | Коэффициент структурного ослабления, КС. | ||||||
| В.В. Ржевского | СНиП | Рекомендуемая | В.В. Ржевского | СНиП | Рекомендуемая | В.В. Ржевского | СНиП | Рекомендуемая |
| Чрезвычайно трещиноватые (мелкоблочные) | Весьма трещиноватые | Сильно трещиноватое | До 0,1 | <0,1 | 0,1 | - | 0,2 | 0,2 |
| Сильно трещиноватые (среднеблочные) | Трещиноватые | Трещиноватое | 0,1 – 0,5 | 0,1 - 0,3 | 0,2– 0,3 | - | 0,4 | 0,4 |
| Среднетрещиноватые (весьма крупноблочные) | Среднетрещиноватые | Блочно слоистое | 0,5 – 1,0 | 0,3 - 0,5 | 0,4- 0,5 | - | 0,6 | 0,6 |
| Малотрещиноватые (весьма крупноблочные) | Малотрещиноватые | Блочное | 1,0 – 1,5 | 0,5 - 1,0 | 0,6 – 0,9 | - | 0,8 | 0,8 |
| Практически монолитные (исключительно крупноблочные) | Практически монолитные | Монолитное | Свыше 1,5 | >1,0 | 1,0 | - | 0,9 | 1,0 |
Таблица 4.8
Классификация горных пород в массиве по трещиноватости
учитывающий ориентировку выработки относительно наиболее развитой системы трещин.
Наряду с классификациями общего характера, к числу которых относится классификация 3. Бенявского [83], целесообразно иметь классификации и методы прогноза конкретных форм поведения пород.
Геомеханическое состояние массива определяется, прежде всего, отношением нагрузки на горную породу к ее прочности. При одной и той же прочности пород это отношение, в зависимости от глубины, может меняться в несколько раз, что необходимо учитывать, особенно при современных глубинах разработки месторождений полезных ископаемых. На основании выше указанной классификации, определение состояния массива горных пород сведены в общую таблицу 4.9
Трудность решения задачи количественной оценки устойчивости пород при сооружении открытых или подземных горных выработок на месторождениях с неизученным характером сдвижения в горноскладчатых областях аналитическими методами привела к необходимости использования метода аналогий. Сущностью метода является выявление соответствия между объектом (прототипом) и его аналогом и перенесение важных для прогноза качеств с аналога на прототип. Учитывая адекватность протекания инженерно-геологических процессов и механизма их проявления, можно сделать вывод об аналогии объектов: “от сходства действия к сходству причин”. Общность инженерно- геологических процессов предопределяет единство инженерно-геологических условий аналога и прототипа.
Таблица 4.10
| Степень устойчивости массива горных пород | |
| 3. Бенявского | Рекомендуемая |
| Вполне устойчивые | Весьма устойчивое |
| Устойчивые | Устойчивое |
| Средней устойчивости | Допустимая устойчивость |
| Неустойчивые | Предельное состояние |
| Весьма неустойчивые | Запредельное состояние |
В нашем случае прогнозирование устойчивости пород методом аналогии заключается в сопоставлении модели развития инженерно-геологических процессов в изучаемой геосистеме с информацией, полученной в результате детального анализа подобной геосистемы-аналога.
Процесс прогнозирования методом аналогий рекомендуется выполнять в следующей последовательности:
- поиск и изучение объекта-аналога;
- выбор критериев геологического подобия;
- перенос информации с аналога на объект прогноза.
В случае прогноза инженерно-геологических условий отработки месторождений полезных ископаемых поиск аналога подразумевает нахождение эксплуатируемых месторождений, которые по геологическим признакам сходны с изучаемым. Точность прогноза по методу аналогий должна определяться степенью сходства условий изучаемого объекта и аналога. Использование метода аналогий наиболее эффективно на стадиях изучения месторождения и проектирования горнорудного предприятия.
Доказательства подобия рассматриваются, как правило, на качественном уровне. Критерии геологического подобия выводятся на основании изучения основных факторов, определяющих физическую природу объекта. Поэтому обоснованность выводов прогноза целиком зависит от количества и значимости выбранных критериев.
Прогнозную оценку методом аналогий целесообразно выполнять в 2 этапа:
1 этап – выбор факторов, определяющих физическую природу объекта.
2 этап – обоснование критериев подобия (однозначности).
Следующим важным этапом прогнозной оценки является доказательство аналогии, обоснование критериев подобия. Критерии подобия определяют на основе качественной оценки и количественного анализа.
В качестве количественных критериев подобия могут быть использованы: показатели физико-механических свойств, степень трещиноватости, интенсивность инженерно-геологических процессов и т.д.
Нами для подбора месторождений – аналогов для месторождений с неизученным характером процесса сдвижения использовались в основном количественные критерии подобия. Из значительного набора количественных критериев подобия были выбраны следующие основные критерии, определяющие устойчивость массива горных пород при разработке месторождений с неизученным характером процесса сдвижения:
- Прочностные свойства
- Состояние массива
- Строение массива
- Глубина залегания полезного ископаемого
- Угол падения пласта
- Мощность пласта
- Размер выработанного пространства
Остановимся подробно на каждом из перечисленных групп критериев подобия на месторождениях с неизученным характером процесса сдвижения.
Общепринято считать, что прочность – это свойство материала сохранять свою сплошность при деформации в процессе нагружения. В данной классификации прочность пород подразделяется на пять подгрупп:
- Очень низкая прочность
Коэффициент крепости горных работ равен f 2,0
- Низкая прочность
Коэффициент крепости горных работ изменяется в диапазоне от
f = 2,1 5,0
- Средняя прочность
Коэффициент крепости горных работ изменяется в диапазоне от
f = 5,1 10,0
- Высокая прочность
Коэффициент крепости горных работ изменяется в диапазоне от
f = 10,1 15,0
- Очень высокая прочность
Коэффициент крепости горных работ равен f 15,1
Геомеханическое состояние массива определяется, прежде всего, отношением нагрузки на горную породу к ее прочности. При одной и той же прочности пород это отношение, в зависимости от глубины, может меняться в несколько раз, что необходимо учитывать, особенно при современных глубинах разработки месторождений полезных ископаемых. Состояние массива горных пород подразделяется на:
- Весьма устойчивое
Таблица 4.11
| Прочность пород | Состояние массива | Строение массива | Глубина |
| Очень низкая прочность f 2,0; 0 = 550 | Запредельное состояние  2,1 | Сильнотрещиноватое Кс 0,3;  0,2;  0,3 | Малая глубина Н 100 м. |
| Низкая прочность f = 2,1 – 5,0; 0 = 650 | Предельное состояние  1,6 – 2,0 | Трещиноватое Кс = 0,4 – 0,3;  0,4;  0,5 | Неглубокая Н=101-400 м. |
| Средняя прочность f =5,1 – 10,0; 0 = 700 | Допустимая устойчивость  1,1 – 1,5 | Блочно - слоистое Кс = 0,6- 0,5;  0,6;  0,7 | Средняя глубина Н=401-600 м. |
| Высокая прочность f = 10,1 – 15,0; 0 = 750 | Устойчивое  0,6 – 1,0 | Блочное Кс = 0,9 – 0,7;  0,8;  0,9 | Глубокая Н=601-1000 м. |
| Очень высокая прочность f 15,1; 0 = 800 | Весьма устойчивое  0,5 | Монолитное Кс = 1,0;  1,0;  1,0 | Сверхглубокая Н > 1000 м. |
