CC BY
392
УДК 622.02(031)
А.С. Танайно
СОПОСТАВЛЕНИЕ ШКАЛ КЛАССИФИКАЦИЙ ГОРНЫХ ПОРОД
ПО БУРИМОСТИ
Разрушаемость горных пород в процессе бурения взрывных скважин оценивается бури-мостью (временем бурения одного метра скважины), трудностью бурения (безразмерным показателем), удельной энергоемкостью. С использованием этих показателей в качестве классификационных признаков в настоящее время создан ряд классификаций. Факт наличия различных классификаций, по одному и тому же объекту знаний, уже сам по себе представляет теоретический интерес и, очевидно, свидетельствует как о сложности проблемы, так и незавершенности ее решения.
В данной работе приведены результаты сопоставления шкал классификаций. Необходимость в таких сопоставлениях обусловлена тем, что применительно к шкалам существующих классификаций разработано множество нормативных документов для расчета потребных материальных ресурсов и производительности станков. Однако, в виду различной детальности представления нормативной базы, часто возникает необходимость в сопоставлении шкал бу-римости, что затруднительно по причине недостаточной определенности данных, приводимых для этих целей в горнотехнической литературе.
Наиболее широкое применение в горной промышленности получили классификации по бу-римости, в которых породы классифицируются по длительности основного времени бурения одного метра скважины различными машинами и инструментами. Начиная от ведомственной направленности, постепенно классификации этого типа получили статус общепринятых. Таковыми в настоящее время является: «Классификация горных
пород СНиП-82» (далее СНиП) и «Единая классификации горных пород по буримости» (далее ЕКБ). В СНиП и ЕКБ все породы по основному времени бурения разделены на разное число групп (категорий): в СНиП на 11; в ЕКБ на 20 [1,2,3].
В представленном виде шкалы классификаций несопоставимы, так как они построены по времени бурения разными станками: в СНиП - по всем породам бурильный молоток ПР-30; в ЕКБ - станок СБР-160 до пород 11 категории, а с 12 и выше -СБШ-250. Для сопоставления шкал необходим единый базовый показатель. В качестве такого показателя используем предел прочности пород при одноосном сжатии (с8, МПа). Ориентировочные сопоставления шкал этих классификаций на этой базе приводятся в [2,4], но явно выраженные зависимости для сопоставления в горнотехнической литературе отсутствуют.
При использовании для сопоставления классификаций необходимо учесть, что не все породы, включенные в классификации, характеризуются показателем прочности на сжатие. А именно, первые четыре категории в СНиП представлены несвязными грунтами (несцементированные обломочные, пески, глинистые, торфа, грунт растительного слоя и др.) и классифицируются по плотности без указания времени основного бурения. В ЕКБ эти грунты представлены в первой, второй и частично в третьей категориях. Поэтому ниже класс дисперсных пород в данной работе не рассматривается, в предположении, что он требует создания специальной классификации по буримости (слишком велика дисперсия показателей свойств этих пород, особенно под влия-
нием криогенных процессов). Дифференциация пород на полу-скальные и скальные так же затруднена. Согласно [5], условная граница между этими породами принимается по прочности на одноосное сжатие (Як) в водонасыщенном состоянии: если Я„ < 5 МПа - полускальные, иначе -скальные. Но, ввиду того, что приводимые в горнотехнической литературе результаты испытаний образцов пород выполнены не иначе как в воздушно-сухом состоянии, то ниже полускаль-ные и скальные породы рассматриваются как единая совокупность.
В сопоставлении шкал СНиП и ЕКБ использовался статистический подход. Для чего, из множества публикаций (справочники по физико-
механическим свойствам, отдельные статьи, результаты инженерно-геологических исследований по угольным месторождениям и др.), наряду с другими характеристиками, выбирались пределы прочности одноосному сжатию для пород указанных в СНиП и ЕКБ. Полученная базовая выборка дополнялась характеристиками пород, не указанных в классификациях. В результате сформирована выборка (общий объем более 1000 данных), представленная магматическими, метаморфическими, осадочными породами и рудами.
Соответствующий анализ совокупной выборки показал наличие достаточно тесной взаимосвязи между пределом прочности на сжатие (ах, МПа) и категориями пород по буримости, описываемые логарифмическими зависимостями :
Кс ~ 2.32Що)-(2 ± 0.25),
а>5, Я2 = 0.93 (1)
Ке ~ 4.85Що)- (8 ±0.485),
а>5, Я2 = 0.95 (2)
Рис.1. Зависимость категорий пород по буримости от прочности на сжатие в шкалах классификаций СНиП (а) и ЕКБ (Ь)
где Кс, Ке - категории пород, соответственно в СНиП и ЕКБ.
Здесь и ниже
Я2=1-В(¥1-¥1)/В(¥1) , , где В(УгУ) -дисперсия отклоне-
ния фактических значений от рассчитанных по уравнению тренда; О(У) -дисперсия фактических значений. Следовательно, чем ближе Я2 к единице, тем достовернее характер полученной зависимости.
Используя эту же выборку, получены соотношения обратные (1) и (2), а так же между категориями пород в классификациях
Ос — 2.9(1± 0.1)ехр(0.44Кс),
Я2 = 0.95; Кс >4 (3)
Ое— 4.15(1 ± 0.1)ехр(0.224Ке), Я2 = 0.96; Ке >3 (4)
Ке — 2.1 Кс - (3.8 ±0.275) (5)
где Оха Охе -пределы прочности пород на сжатие (МПа) в классификациях СНиП и ЕКБ
Результаты вычислений по (5) округляются до ближайшего
целого.
Из графической интерпретации (1) и (2) следует, что породы, объединенные в соответствующие категории по буримо -сти, характеризуются размахами значений прочности на сжатие, увеличивающимися с ростом ранга категории (рис.1). Так, в СНиП седьмая категория объединяет группу пород, которых
находится в интервале 50-67, а десятая -140-195 МПа (рис.1а). Подобная ситуация проявляется и в ЕКБ, но здесь размах значений ох существенно ниже
(см.рис.1Ь).
В СНиП и ЕКБ длительность основного времени бурения (о) 1м скважины приводится в зависимости от категорий пород. По рис. 2а можно сопоставить категории пород в обеих классификациях при заданном времени бурения. Например, при tо= 8 мин/м в СНиП породы относятся к 8-ой категории (6.3 < tо < 8.5 по данным классификации), а в
ЕКБ к 16-ой (7.12 < tо < 8.33). Важно, что при одном и том же времени бурения прочность пород различна (рис.2Ь). Так, в СНиП к 8-ой категории относятся породы, прочность на сжатие которых находится в пределах 88 -108 МПа а в ЕКБ 126-154 МПа (вычислено по (3) и (4) соответственно).
Следовательно, в представлении классификаций по времени бурения прочностные свойства, которые собственно и определяют характеристики процесса бурения, выражены опосредованно. Поэтому представляют интерес явно выраженные зависимости между временем бурения и прочностью на сжатие. Они получены после соответствующих расчетов по (3), (4) в сопоставлении с (5) и с данными классификаций [2] tоc — 0.3715 ехр(0.696ох) ±В,
R2 = 0.97, v0.0208c 6<as<100;
В=-710-5а2±0.0208а- 0.0538,
Категории пород по буримости
Прочность на сжатие, МПа
Рис.2. Зависимость основного времени бурения 1 м скважины от категорий пород по буримости (а) и от прочности пород на одноосное сжатие (b): 1,2 соответственно min, max по СНиП и ЕКБ
В=0.1042 (о/'5585, а>100; ґое ~ -3,2■ 10-4(а/ + 0.09а,, -0.665±0,007 а,,; Я2 = 0.97; 6<а,<40 О--7■ 10-4(а/ + 0.07а, -0.15±[0,59 1п(а,)-2];
Я2 = 0.95; а,>40, где ґоа ^-длительность основного времени бурения (мин/м), соответственно в классификациях СНиП и ЕКБ.
Принципиально иной подход к классификации пород по бурению предложен акад. Ржевским В.В. и д.т.н. Новиком Г.Я. (далее КРиН) [2,6].
Существенное отличие КРиН, от рассмотренных выше, заключается в том, что в ней не учитываются технические средства бурения. Полагается, что решающее значение оказывают прочность на сжатие, сопротивление сдвигу и плотность пород. В результате трудность бурения (термин авторов) оценивается показателем, целое значение которого именуется категорией (Кр) и количественно определяется по выражению
Кр = 0.07(а, + т^ + 0.7у (6) Используя (6), автором данной работы выполнены расчеты по статистической выборке физико-механических свойств пород месторождений цветных металлов, железных руд, угля, строительных материалов и горно-химического сырья. Объем выборки составил более 700 данных, приведенных в литературных источниках. В результате анализа получено уравнение
тренда, позволяющие определить категорию пород по трудности бурения в виде функции от предела прочности на сжатие ( рис.3)
Кр - (0.0815 ± 0.0025)а:, + 1.8, Я2 = 0.96 а,>6 (7)
Отклонения результатов, вычисленных по (7), от (6) не превышают ±7%. Учитывая, что вариации прочностных свойств пород составляют 20-30%, то вместо выражения (6) для практических целей можно использовать (7), где наличие свободного члена отражает неприменимость (7) для рыхлых пород, характеризуемых не прочностью на сжатие, а сцеплением.
Для наглядности сопоставления, рассмотренных выше классификаций, представим (1), (2), (7) графически (рис.4). Как видно подходы к построению шкал классификаций различаются не только детальностью, но и принципами. В результате чего в одном интервале изменения свойств формируется разное количество категорий. Так на интервале а, <75 в СНиП выделяется 8 категорий, в ЕКБ - 14, в КРиН - 7. Все породы с а, > 175 в СНиП отнесены к двум (10-11) категориям, в ЕКБ в этом интервале выделяется 4 категории (1720), в КРиН -11 категорий.
Поиск классификационных признаков буримости, кроме рассмотренных выше, базируется на оценке работы (энергии) на разрушение породы в забое скважины. Классификация по этому признаку впервые была
предложена для ударноканатного бурения [7]. С развитием техники, интерес к оценке процесса бурения по затратам энергии заметно оживился, как с целью использования для управления режимами бурения, так и для создания классификаций горных пород.
Одна из таких классификаций предложена И.А. Тангаевым [8], в которой используется взаимосвязь мощности, потребляемой двигателем вращателя (Ы, кВт), со скорость бурения (V, м/ч): е = Ы/у, е - удельная энергоемкость бурения, кВт.ч/м. В многочисленных экспериментах, выполненных в производственных условиях, измерялась мощность, потребляемая двигателем вращателя бурового става станка СБШ-250 без учета мощности на вращение его без нагрузки. В результате И.А. Тангаев, взяв в качестве базовой шкалу ЕКБ, дополнил ее значениями удельной энергоемкостьи в пределах 6-20 категорий [7] (рис.5). В пределах разброса данных взаимосвязь категорий пород по буримости (Ке„) и энергоемкостью находится в экспоненциальной зависимости
Кек = Ке - 5.64Ьп(е) + 1.125
Я2 = 0.9 (8)
где е - удельная энергоемкость (МДж/м).
В (8) равенство Ке„ = Ке означает, что категории пород в классификациях ЕКБ и в дополненной И.А Тангаевым. идентичны.
Соотношение, обратное (8),
Рис.3. Зависимость категорий пород по трудности бурения от предела прочности на сжатие (в классификации В.В. Ржевского)
Рис.4. Соотношения шкал в классификациях по буримости
Рис. 5. Характер взаимосвязи удельной знергоемко-сти с категорийпород по буримости (классификация Тангаева И.А.):. точки - данные классификации; сплошная -линия тренда
Рис. 6. Зависимость удельной энергоемкости бурения от предела прочности пород на сжатие: 1-фактические данные по [9]; 2-тренд по фактическим данным; пунктирная линия -вычислено по (12)
представляется выражением е — 0.854вхр(0.174 К),
Я2 = 0.9, Ке > 6 (9)
Используя (2), путем вычисления по (9), представим зависимость удельной энергоемкости бурения (станок СБШ-250) от предела прочности пород на сжатие
е — 0.225 (а)0'83, а, > 20;
Я2 = 0.95 (10)
Для сопоставления (10) с фактическими данными воспользуемся результатами промышленных экспериментов, выполненных И.А. Тангаевым на карьерах с представительным разнообразием физико-
технических свойств буримых пород [9, стр. 56]. Уравнение тренда, аппроксимирующее экспериментальные данные, как и
(10), описываются степенной зависимостью:
е1 — 0.198(а,)0'85, МДж/м,
а, > 20; Я2 = 0.95 (11) Из графической интерпретации (рис.6) следует вполне удовлетворительное согласование (10) с результатами экспериментов (11). Из (11) получим объемную энергоемкость бурения шарошечным долотом диаметром 243 мм
е1а — 4.24(а)0'85, МДж/м3 Особенность (10-11) заключается в том, что по ним определяется энергоемкость разрушения породы только в забое скважины, т.е. без учета затрат энер-
гии на: производство сжатого воздуха, работы гидросистемы, перемещение станка, вспомогательные операции. Эта часть затрат превосходит энергию на разрушение породы в забое в 6-7 и более раз [9].
Точное определение совокупных затрат энергии на технологические операции, составляющие процесс бурения в целом, аналитическими методами невозможен в виду влияния множества случайно изменяющихся факторов.
На базе фрагментарно собранной информации, а так же с учетом [10,11], получено выражение для оценки совокупной удельной энергоемкости бурения ^ь) станком СБШ-250, как наиболее распространенного на горных предприятиях Жь — 1.8 (а)08 ± (0.05а, + 2.4), МДж/м, а, > 20; Я2 = 0.75. (13) Разброс фактических данных (достоверность их трудно установить) от вычисленных по (13), находится пределах ±(1^25%), что отражается в низком значении коэффициента Я2.
Отметим особенность оценки удельной энергоемкости по
(11), (13). По ним о пределяется энергоемкость бурения по второй штанге, т.е. за пределами зоны разрушения в перебуре. Поэтому некорректно использовать (13) для вычисления сум-
марных затрат энергии на бурение по всей длине скважины, так как с увеличением глубины скважины удельная энергоемкость бурения, на уступе сложенном даже однородными породами, возрастает [8]. Но такое положение характерно и для классификаций, построенных по длительности основного времени бурения, где оно так же непостоянно и при бурении породы с неизменными физико-
механическими свойствами по высоте уступа [3]. Аналогичное положение и в классификации КриН, в которой не учитывается увеличение трудоемкости бурения с возрастанием глубины скважины.
Все приведенные выше эмпирические выражения получены в зависимости от наиболее информативного и легко получаемого показателя прочности пород при одноосном сжатии. Но, в силу взаимосвязанности показателей физико-
механических свойств, эти выражения можно представить и в зависимости от других показателей, используя соотношения между ними [12].
В частности, в расчетах параметров процесса бурения во многих расчетных схемах используется показатель (амд,
МПа) приведенной (динамической) прочности. Независимо от наименования, его определяют соотношением
амд 0.5(а,+аск),
где аск -предел прочности на сдвиг (скол) [2]. Используя
указанную в начале данной статьи выборку свойств, получено амд — 0.58а,+4.5 — 10.3/ -30;
(Я2=0.85, а,>10 МПа, где / -коэффициент крепости по М.М. Протодьякову. Здесь и во всех расчетах выше соотношения между а, и / определялись по формулам:
/= а,/30 +(а/3)0'5 (формула Л.И.Барона) и полученной автором в [12] о, =150[1+0.2 /-(1+0.4/05].
Часто используемая формула / =0.1 а, приводит к большим ошибкам (до 50%) при переходе от шкалы прочности к шкале М.М.Протодьяконова и наоборот.
Результаты проведенного сопоставления позволяют констатировать:
-несмотря на различие классификационных признаков, используемых в классификациях, по сути, в них прямо или косвенно, отражается влияние прочностных свойств горных пород, что и показано путем сопоставления шкал классификаций по пределу прочности на сжатие;
-геологические наименования пород не являются информативным признаком для построения классификаций по буримо-сти в виду того, что разные по наименованию породы могут иметь равные или сопоставимые количественные характеристики физико-механических свойств,
которые и определяют процесс их разрушения;
-использование показателя «длительность основного времени бурения» в большей мере пригодно для целей нормирования труда в конкретных условиях, чем для построения классификаций, так как слишком велика зависимость результатов от технических характеристик машин, режимов бурения, конструкций инструментов, профессионализма операторов и пр.
На основании представленных выше количественных оценок и сопоставлений приходим к выводу, что существующими классификациями не исчерпывается решение проблемы и, следовательно, актуально их совершенствование, но на базе других подходов.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. СНиП 1У-2-82. -М.; Стройиздат, 1983.
2. Справочник. Открытые горные работы /К.Н. Трубецкой, М.Г. Потапов, К.Е. Виицкий, Н.Н. Мельников и др. -М.: Горное бюро, 1994, 590 с.
3. Симкин Б.А., Кутузов Б.Н., Буткин В.Д. Справочник по бурению на карьерах. -М.: Недра, 1990.
4.Эткин М.Б., Азаркович А.Е. Взрывные работы в энергетическом и промышленном строительстве: Научно-практическое руководство. -М.: Из-во МГГУ, 2004, 317с.
5. Грунты. Классификация. Межгосударственный стандарт. ГОСТ-25100-95.
6.Ржевский В.В., Новик Г.Я. Основы физики горных пород. - М.: Недра, 1984.
7. Зайдман В.Д., Назаров П.П. Классификация горных пород для нормирования ударно-канатного бурения. Горный журнал, 1948, № 7, с. 17-20.
8. Тангаев И.А. Буримость и взрываемость горных пород. - М.: Недра, 1978, 184с.
9.Тангаев И.А. Энергоемкость процессов добычи и переработки полезных ископаемых. М.: Недра, 1986, 231с.
10. Рогальский Б.С., Штогрин Е.А., Кушнир И.С. Оценка буримости горных пород на открытых горных разработках. - Горный журнал, 1986, №12.
11. Симкин Б.А., Прокопова В.Г. Оценка способности горных пород к разрушению бурением. - Горный журнал, 1981, №3.
12. Танайно А. С. Структурно-прочностные свойства пород вскрыши угольных месторождений в задачах открытых геотехнологий. Ч. 2: Взаимосвязь показателей прочности горных пород и их классификаций // ФТПРПИ, 2003, № 6.
□ Автор статьи:
Танайно Александр Савельевич - канд.техн.наук, ведущий научный сотрудник (Институт горного дела СО РАН, г. Новосибирск)
