CC BY
105
-------------------------------------- © А.А. Козырев, Н.О. Губинский,
2011
УДК 622:552.2
А.А. Козырев, Н. О. Губинский
ОПРЕДЕЛЕНИЕ РЕЙТИНГА ВМЕЩАЮЩИХ ПОРОД И РУД АЛМАЗНОГО МЕСТОРОЖДЕНИЯ В СООТВЕТСТВИИ С КЛАССИФИКАЦИЕЙ Д. ЛОБШИРА
Описана методика определения рейтинга массива горных пород при помощи классификации профессора Д. Лобшира. Произведено определение рейтинга руд и вмещающих пород для условий алмазного месторождения, расположенного на территории Российской Федерации. Показано, что породы и руды данного месторождения относятся к 4 классу в соответствии с классификацией Д. Лобшира и имеют низкую устойчивость (хорошую обрушаемость), за исключением пород Верхней свиты. Даны рекомендации по выбору системы разработки и креплению подземных выработок.
Ключевые слова: скальный массив, трещиноватость массива, подземные воды, взрывные работы, водоприток.
Свойства массивов достаточно разнообразны и для описания их характеристик возникла необходимость систематизации и сведения к общему числовому показателю [1].
Классификации массивов являются основой эмпирического подхода к проектированию различных сооружений в скальных массивах и нашли в этой области широкое распространение. Инженеры предпочитают численные значения качественным описаниям и поэтому количественные классификации являются полезными при проведении изысканий и проектировании горных работ. Данные системы оценки качества были с большим успехом использованы при проектировании в Австрии, Южной Африке, Соединенных Штатах, Индии и Европе.
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 и др. [1-7].
Описание рейтинговой классификации Д. Лобшира
На сегодняшний день в мировой практике наиболее многофункциональной и практичной является рейтинговая классификация Д. Лобшира (MRMR).
Рейтинговая классификация Лобши-ра применяется для следующих целей: составление проекта крепления, составление диаграмм зон обрушения, расчет устойчивости целиков, определение степени обрушаемости и дробимости при самообрушении, обоснование порядка ведения горных работ и т.д. [3, 8].
В целом алгоритм определения рейтинга массива по данной классификации можно представить в виде следующей блок-схемы (рис. 1).
Как видно из блок-схемы, рейтинг MRMR из суммы частных рейтингов (IRMR), учитывающих прочностные характеристики массива, количественные и качественные характеристики трещиноватости, которая в свою очередь дом-ножается на поправочные коэффициенты, отражающие степень выветрелости
Исходные данные
Предел прочности на одноосное сжатие. МПа
Поправка по густоте трещин 60-100%
Рейтинг по прочности 0-25
Расстояние между третинами Рейтинг = 0-35
Наличие сцементирован им-: трещин поправка 70- 100%
Рейтинг IFiMR = 0-100
Условия трещиноватости рейтинг = 0-4-0
0 бщнй рейтинг по трещиноватости 0-75
выветривание ориентация тре Поправки к рейтингу шин напряженное состояние взрывание ги ро гео Л О ГИЧ ЄС КИ Є у СЛ О ВИЯ
<30-100%) (63-100%) 4 60-120%) (80-100%) (70-110%)
1 Рейтинг
(MRMR)
Качественная характеристика массива и проектные решения
Обрушаемость, устотивость. необходимость крепления и вид крепи, размеры целиков, параметры подземных выработок, откосов бортов и уступов карьера и т.д.
Рис. 1. Блок-схема к алгоритму определения рейтингового показателя MRMR по классификации профессора Д. Лобшира [3, 6]
пород, ориентацию трещин в массиве, параметры напряженного состояния, гидрогеологические условия и др.
Также получение рейтинга MRMR можно выразить формулой:
MRMR = RMR -к;
RMR = RRвs + Js + Jc,
где RRBS — прочность породного блока;
JS — рейтинг по количеству трещин; JC
— рейтинг условий трещиноватости; К
— коэффициенты, учитывающие выветривание, ориентацию трещин, напряжения в массиве, взрывание, наличие подземных водопритоков.
Составляющая рейтинга RBS в однородном массиве, без жил, даек и разрывов вычисляется следующим образом
RBS = IRS -0,8,
где IRS — прочность нетронутого массива (Intact Rock Strenght).
Если же массив сильнотрещиноватый, имеются разрывы сплошности параметр RBS определяется по номограмме, учитывающей крепость пород, а также степень трещиноватости. Перемножив данные показатели, по номограмме (рис. 2) находят показатель степени снижения IRS—FF/m (количество трещин на 1 м) [3, 6].
Таким образом, RBS определяется как
RBS = IRS -0,8 - к.
Таблица к определению показателя инверсии по коэффициенту крепости (по шкале Мооса) [3, 6]
Заполнитель Тальк, молибден Гипс, хлорит Кальцит, ангидрит Флюорит, халькопирит Апатит
Коэффициент крепости заполнителя 1 2 З 4 5
Инверсия 1,0 0,5 0,33 0,25 0,2
Коэффициент корректировки IRS 1,00 0,95 0,90 0,85 0,80 0,75 0,70 0,65 0,60
1--------1-----1--1—I—I—I—I 11
0,1 0,2 0,4 1 2
Инверсия крепости х FF/m
і-----1—1—і—і—гт1—
5 10
ч-----1---1
40
Рис. 2. Номограмма корректировки прочности нетронутого массива с учетом крепости руды и густоты трещин [3,6]
Рис. 3. Определение рейтинга Rrbs прочности породного блока [3,6]
Данное вычисление позволяет найти коэффициент корректировки RBS по номограмме, представленной на рис. 2.
Далее по графику на рис. 3, находится составляющая рейтинга RMR — RRBS.
Рейтинг JS зависит от густоты трещин (FF/m) или от расстояния между ними в массиве. Определяется он по графику, представленному на рис. 4.
Максимальный показатель рейтинга Jc=40 единиц, он подлежит корректировке коэффициентами, представленными в табл. 2 [3].
Рейтинг Jc определяется следующим образом
...ABODE
I = 40 х-х--х--х---х---.
c 100 100 100 100 100
Объем блока, м3
за
ь
їЯ
а>
йі
Расстояние между трещинами, м
Рис. 4. Рейтинг трещиноватости массива JS [3,6]
Таблица 2
Поправочные коэффициенты к показателю Jc [3,6]
А. Крупномасштабное влияние трещин
Разнонаправленные волнообразные 100
Однонаправленные волнообразные 95
Кривые 90
Слегка волнообразные или прямые 85
B. Небольшие расстояния между трещинами 200х200 мм
Неровные выступы/нерегулярные 95
Плавные выступы 90
Гладкие выступы 85 80
Шероховатые волнистые 75
Плавные шероховатые 70
Гладкие и шероховатые 65
Шероховатые плоские 60
Плавные плоские 55
Гладкие
С Стенки трещин деформированы и слабее, чем породы и заполнитель 75
D. Раздувы
Толщина < протяженности 60
Толщина > протяженности 30
E. Сцементированные наполненные трещины (порода прочнее заполнителя
трещин)
Крепость заполнителя Значение коэффициента
5 95
4 90
3 85
2 80
1 75
Степень выветренности пород, % Время, годы
полгода 1 2 3 4 и более
Свежая 100 100 100 100 100
Легкая 88 90 92 94 96
Средняя 85 84 86 88 90
Высокая 70 72 74 76 78
Полная 54 56 58 60 62
Кора выветривания 30 32 34 36 38
Таблица 4
Процентные данные по ориентации трещин [3, 6]
Число забоев, отклоненных от вертикали
определяющих блок 70 % 75 % 80 % 85 % 90 %
3 3 -3 8 -2 —1
4 4 3 -3 2 2,1
5 5 5 4 3
6 6
Как видно из формулы, максимальное значение Ос равно 40 и подлежит корректировке с помощью коэффициентов, представленных в табл. 2. Для вычисления рейтинга MRMR необходимо умножить рейтинг RMR на соответствующие коэффициенты.
Выветривание. Коэффициент влияния выветривания приведен в табл. 3.
Коэффициент ориентации трещин. Коэффициенты, учитывающие ориентацию трещин, приведены в табл. 4 и 5.
Давление, вызванное горными работами. Сжимающие напряжения повышают устойчивость массива пород и препятствуют обрушению. В этом случае влияние коэффициента напряженного состояния составляет 120 %.
Взрывные работы. Результатом ведения взрывных работ является появление новых трещин и раскрытие уже имеющихся, что ведет к снижению прочности массива. Поправочные коэффициенты по данному фактору представлены в табл. 6.
Влияние подземных вод. В общем случае наличие подземных водоносных горизонтов приводит к снижению проч-
ности массива, ослабляя трение между структурными блоками. Коэффициенты, учитывающие подземные воды, приведены в табл. 7.
Смерзаемость пород. При наличии льдистости пород в районах вечной мерзлоты массив может иметь большую устойчивость, которая обычно снижается со временем. В данных условиях показатель MRMR будет изменяться от 100 до 120 % [3, 8].
В табл. 8 приведена методика Д. Лобшира по определению параметров систем разработки с обрушением на основе рейтинговых показателей массивов.
Пример использования рейтинговой классификации Д. Лобшира
Рассмотрим пример использования данной классификации для оценки устойчивости массива горных пород. Данное определение произведем для условий руд и вмещающих пород одного из алмазных месторождений, расположенного на территории Российской Федерации.
Число трещин, определяющих блок Число трещин, отклоненных от вертикали Коэффициенты ориентации трещин в массиве для учета различий в условиях трещиноватости, %
0 — 15° 16 — 30° 95°
3 3 70 80 95
2 80 90 95
4 4 78 80 90
3 75 80 95
2 85 90 95
5 5 70 75 80
4 75 80 85
3 80 85 90
2 85 90 95
1 90 95
Таблица 6
Коэффициенты по фактору взрывных работ [3,6]
Процесс проходки Влияние, %
Бурение 100
Гладкое взрывание 97
Хорошее стандартное взрывание 94
Плохое взрывание 80
Таблица 7
Влияние подземных вод [3,6]
Влажные условия Среднее давление 1—5 МПа, 25 — 125 л/мин Высокое давление > 5 МПа, > 125 л/мин
95 — 90 % 90 — 80 % 80 — 70 %
Для характеристики горно-геологических условий месторождения весь массив пород условно разбит на несколько горно-геологических ярусов, представленных комплексами пород, хорошо различающимися по строению, литологическим и физико-механическим свойствам на покровный, вмещающий и основной.
Вмещающий горно-геологический ярус на вертикальном разрезе представлен тремя свитами: Верхней, Срединной и Нижней.
Основной горно-геологический ярус представляет собой трубку взрыва с ярко выраженными контурами кратерной и жерловой частей (рис. 5).
Массив вмещающих пород
Для условий Верхней свиты RMRв= RRвs + Js + Jc.
Средний предел прочности образцов Верхней свиты на одноосное сжатие равен 3 МПа, модуль трещиноватости — 0,5 тр/м (расстояние между трещинами
— 2 м), следовательно, с учетом того, что массив вмещающихх пород практически нетрещиноват, получаем:
RBSв = Ш - 0,8 = 3 - 0,8 = 2,4.
По графику (см. рис. 3) рейтинговый показатель RRBS * 1. По графику (рис. 4) Js * 35.
Значения рейтингового показателя по закрытым трещинам ^С) определяется по характеру трещиноватости:
У777\
Рис. 5. Схематический геологический разрез в районе алмазного месторождения
трещины — волнообразные разнонаправленные (А = 100 %), с гладкими выступами (В = 85 %), заполнены мелкокусковым материалом, крепостью заполнителя (по шкале Мооса) — 1.
ABODE
Jc = 40 х — х — х — х — х
100 100 100 100 100 25,5.
100 85 75
= 40 х-------х------х
Получаем RMRв = 1 + 35 + 25,5 = 61,5.
Водопритоки понижают прочность массива. Для условий Верней свиты средний водоприток составляет 6314 л/мин. По таблице 6 получаем понижающий коэффициент 0,7.
Поскольку руды и породы не ослаблены выветриванием, то коэффициент
100 100 100
Определение параметров систем разработки на основе рейтинговых показателей массива MRMR [3, 5]
Класс/рейтинг | 5/5— 20 4/21 — 40 3/41— 60 | 2/61— 80 | 1/81 — 100
Этажное самообрушение
Гидравлический ра- 1 — 8 8 — 18 18 — 32 32 — 50 >50
диус, м
Обрушаемость Очень Хорошая Средняя Плохая Очень пло-
хорошая хая
Дробимость, м 0,01 — 3 0,1 — 2,0 0,4 — 5 1,5 — 9 3 — 20
Вторичное дробление:
объем бурения, м 0 — 50 50 — 150 150— 400 400— 700
расход ВВ, г/т 0 — 20 20 — 60 60 -150 150 —250 >700
диаметр зоны >250
выпуска, м 6 — 7 8 — 9 10 — 11,5 12 — 13,5
Ширина зоны выпуска 15
(диаметр ворогок), м:
для грохотов 5 — 7 7 — 10 9 — 12
для лебедок 5 — 7 7 — 10 9 — 12
для ПДМ 9 9 -13 11 — 15 13 — 18
Ширина пунктов вы-
пуска, м 1,5—2,4 2,4 — 3,5 2,4 — 4 4
Комментарий Хорошая Средняя дро- От среднего к Крупные блоки,
дроби- бимость, крупным большие ПДМ,
мость, уси- среднее креп- блокам, вто- большой объем
ленное кре- ление ричное дроб- вторичного дроб-
пление ление ления
Подэтажное обрушение
Потери скважин Выше среднего Средние Незначи- тельные - -
Крепление Усиленное Среднее Среднее Локальное -
Разубоживание Очень высокое Высокое Среднее Локальное -
Комментарий Непри- менимо Применимо У довлетворительно
по данному показателю в дальнейших расчетах учитываться не будет В итоге
MRMRb = RMRb -к = 61,5 -0,7 * 43.
Для условий Срединной свиты Средний предел прочности образцов Срединной свиты на одноосное сжатие равен 5 МПа, модуль трещиноватости — 0,5 тр/м (расстояние между трещинами
— 2 м), поэтому:
RBSc = IRS -0,8 = 5 ■ 0,8 = 4.
По графику (см. рис. 3) рейтинговый показатель Rrbs * 2. По графику (рис. 4) Js * 35.
Трещины — прямые (А = 85 %), стенки шероховатые (В = 65 %), заполнены мелкокусковым материалом, крепостью заполнителя (по шкале Мооса)
— 1.
A B C D E
L = 40 х---х-----х---х----х-----=
c 100 100 100 100 100
85 65 75
= 40 х-----х-----х------* 17.
100 100 100
RMRc = 2 + 35 + 17 = 54.
Средний водоприток составляет 1068 л/мин. По табл. 6 получаем понижающий коэффициент 0,7.
MRMRc = RMRc ■к = 54 -0,7 * 38.
Для условий Нижней свиты Средний предел прочности образцов Нижней свиты на одноосное сжатие — 10 МПа (табл. 8), модуль трещиноватости — 0,5 тр/м Имеем
RBSh= IRS -0,8 = 10 -0,8 = 8.
По графику (см. рис. 3) — - 4. ^
- 35.
Трещины — прямые (А = 85 %), стенки шероховатые (В = 65 %), заполнены мелкокусковым материалом, крепостью заполнителя (по шкале Мооса)
— 1.
. Ап А В С D Е
I = 40 х-----х-----х-----х------х-------=
с 100 100 100 100 100
85 65 75
= 4O x----------x-------x
17.
100 100 100
RMRh = 4 + 35 + 17 = 56.
Средний водоприток составляет 200 л/мин. По табл. 6 получаем понижающий коэффициент 0,7.
MRMRh = RMRh •к = 56 - 0,7 * 39.
Массив трубки взрыва (рудного тела)
Расчет рейтинга массива пород рудного тела будем вести по двум выделенным ее частям: кратерной и жерловой частям.
Для условий кратерной части трубки Средний предел прочности образцов кратерной части трубки на одноосное сжатие равен 12 МПа, модуль трещиноватости — 8 тр/м (среднее расстояние между трещинами — 0,13 м), следовательно, с учетом трещиноватости, получаем:
RBSk = IRS -0,8 - к,
где к — коэффициент корректировки IRS. Данный коэффициент вычисляется по шкале, представленной на рис. 2, исходя из значения «инверсия крепости х FF/m».
Трещины заполнены материалом с крепостью по шкале Мооса — 2. Следовательно, Инверсия — 0,33. FF/m = Мтр = 8. Получаем значение «инверсия крепости х FF/m» = 0,33 - 8 * 2,6.
По номограмме корректировки прочности (рис. 2) имеем к * 0,77.
В итоге RBSk = і2 - Q,8 -Q,77 да 7.
По графику (см. рис. З) рейтинговый показатель RRBS да 4. По графику (рис. 4) Js да і2.
Трещины однонаправленные волнообразные (А = 95 %), с гладкими выступами (В = 85 %), имеются раздувы (Д = 6Q %), заполнены мелкокусковым материалом, крепостью заполнителя 1.
ABODE
J = 4O x--x----x-----x---x----=
c 1OO 1OO 1OO 1OO 1OO
.. 95 85 6O 75
= 4O x--------------x-x-x-да 14,5 .
1OO 1OO 1OO 1OO
RMRk = 4 + і2 + 14,5 = 3Q,5.
Понижающий коэффициент, учитывающий притоки подземных вод, для условий кратерной части трубки, находящейся в отметках Верхней свиты, также будет равен Q,7.
Получаем
MRMRk = RMRk • к = 3Q,5 • Q,7 да 2і.
Для условий жерловой части трубки Средний предел прочности образцов жерловой части трубки на одноосное сжатие равен 5Q МПа, модуль трещиноватости
— 8 тр/м (среднее расстояние между трещинами — Q,13 м), получаем:
RBSж = 5Q • Q,8 • Q,77 да 31.
По графику (рис. З) рейтинговый показатель RRBS да 13. Рейтинг JS да і2. Рейтинг Jc, по аналогии с кратерной частью трубки, равен 3Q,5.
RMRж = 13 + і2 + 3Q,5 = 55,5.
По графику (рис. З) рейтинговый показатель RRBS да 13. Рейтинг JS да і2. Рейтинг Jc, по аналогии с кратерной частью трубки, равен 3Q,5.
98
Определение параметров систем разработки на основе рейтинговых показателей массива MRMR [3, 5]
Класс/рейтинг 5/5 — 20 4/21 — 40 3/41 — 60 2/61 — 80 1/81 — 100
Этажное самообрушение
Гидравлический радиус, м Обрушаемость Дробимость, м Вторичное дробление: объем бурения, м расход ВВ, г/т диаметр зоны выпуска, м Ширина зоны выпуска (диаметр ворогок), м: для грохотов для лебедок для ПДМ Ширина пунктов выпуска, м 1 — 8 Очень хорошая 0,01 — 3 0 — 50 0 — 20 6 — 7 5 — 7 5 — 7 9 1,5 — 2,4 8 — 18 Хорошая 0,1 — 2,0 50 — 150 20 — 60 8 — 9 7 — 10 7 — 10 9 -13 2,4 — 3,5 18 — 32 Средняя 0,4 — 5 150 — 400 60 -150 10 — 11,5 9 — 12 9 — 12 11 — 15 2,4 — 4 32 — 50 Плохая 1,5 — 9 400 — 700 150 — 250 12 — 13,5 13 — 18 4 >50 Очень плохая 3 — 20 >700 >250 15
Комментарий Хорошая дроби-мость, усиленное крепление Средняя дроби-мость, среднее крепление От среднего к крупным блокам, вторичное дробление Крупные блоки, большие ПДМ, большой объем вторичного дробления
Подэтажное обрушение
Потери скважин Выше среднего Средние Незначительные - -
Крепление Усиленное Среднее Среднее Локальное -
Разубоживание Очень высокое Высокое Среднее Локальное -
Комментарий Неприменимо Применимо У довлетворительно
Таблица 9
Итоговая таблица расчетов рейтинга MRMR
Вмещающие породы Руды
Верхняя свита Срединная свита Нижняя свита Кратерная часть трубки Жерловая часть трубки
Рейтинг MRMR 43 38 39 И 39
Класс пород по Д. 3 4 4 4 4
Лобширу
Описание пород Средняя Низкая Низкая Низкая Низкая
по устойчивости (средняя) (хорошая) (хорошая) (хорошая) (хорошая)
(обрушаемости)
RMRж = 13 + 12 + 30,5 = 55,5.
Понижающий коэффициент, учитывающий притоки подземных вод равен 0,7.
МЯМЯж = ЯМЯж -к = 55,5 -0,7 « 39.
Результаты расчетов рейтинга МЯМЯ для условий руд и вмещающих пород алмазного месторождения сводим в табл. 9.
Как видно из табл. 9, руды и породы данного месторождения относятся к 4 классу и имеют низкую устойчивость (хорошую обрушаемость), за исключе-
нием пород Верхней свиты, которые принадлежат к 3 классу и имеют среднюю устойчивость (среднюю обрушае-мость). На основании результатов расчетов к рассмотрению при проектировании горных работ могут быть рекомендованы два класса систем разработки: с закладкой выработанного
пространства и с обрушением, а при проведении капитальных и подготовительных выработок рекомендуется их усиленное крепление.
Работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (проект № 07-05-13579).
----------------------------------------------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Кузьмин Е.В., Узбекова А.Р. Рейтинговые классификации массивов скальных пород: предпосылки создания, развитие и область применения // ГИАБ, №4, 2004. — С. 201—202.
2. Введение в механику скальных пород: Пер. с англ./Под ред. Х. Бока. — М.: Мир, 1983. — 276 с., ил.
3. Кузьмин Е.В., Узбекова А.Р. Самообру-шение руды при подземной добыче: Учебное пособие. — М.: Издательство Московского государственного горного университета, 2006. — 283 с.: ил.
4. Beniawski Z.T., 1989. Engineering Rock Mass Classification. Wiley, New York. 251 pages.
5. Laubscher D.H., 1990. A Geomechanics Classification System for the Rating of Rock mass in Mine Design, J Sth Afr Inst Min Met, 90(10):257-73.
6. Laubscher D.H., Jacubec J. The MRMR Rock Mass Classification for jointed rock masses. Foundations for Design. 2000.
7. Булычев Н.С. Механика подземных сооружений. Учебник для вузов. — М., Недра, 1982. — 270 с.
8. Jacubec J., Laubscher D.H., 2000. The MRMR Rock Mass Rating Classification System in Mining Practice. Brisbane. ЕШ
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ ---------------------------------------------------------
Козырев А.А. — доктор технических наук, профессор, заместитель директора, Губинский Н.О. — младший научный сотрудник лаборатории геомеханики, Горный институт КНЦ РАН, [email protected]
