СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА КРЕПОСТИ МНОГОЛЕТНЕМЕРЗЛЫХ КРУПНООБЛОМОЧНЫХ ПОРОД Российский патент 2002 года по МПК E21C39/00 

Изобретение относится к горной промышленности, а точнее к определению общего коэффициента крепости f многолетнемерзлых крупнообломочных пород (МКП).

Известно устройство для определения динамической крепости горных пород (метод толчения) прибором ПОК, в котором пробу помещают в стакан прибора ПОК и производят 10 сбрасывании гири массой 2,4 кг с высоты 600 мм. Продукт разрушения просеивают через сито с размером фракции 0,5 мм и ссыпают в объемомер [1].

Коэффициент динамической крепости пород f определяют по формуле

где n = 10 - число сбрасываний гири на приборе ПОК, h - отсчет по шкале цилиндра объемомера, мм; 20 - эмпирический коэффициент пропорциональности.

Недостатком данного способа является то, что слабые породы, как мел, мергель, коалин, аргиллит, угли бурые, слабые алевролит при определении их динамической прочности имеют большую остаточную деформацию. По этой причине метод неприемлем для нетвердых пластичных пород, в том числе и мерзлых крупнообломочных, в которых значительную часть объема горных пород занимает мелкодисперсный заполнитель.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому методу является способ определения коэффициента крепости пород f (по Протодьяконову М. М. ) путем испытаний образцов пород на временное сопротивление их одноосному сжатию σврсж

с последующим вычислением его по известной формуле [2].

Впоследствии формула (1) была уточнена Л.И.Бароном и представлена выражением (2):

где σ и σ₁ - временное сопротивление образцов одноосному сжатию соответственно правильной и неправильной форм.

Общим недостатком этих способов является то, что затруднительно получить достоверные показатели коэффициента крепости f для МКП по вышеизложенным формулам (2) и (3). Например: временное сопротивление на сжатие многолетнемерзлых крупнообломочных пород (галька, гравий, щебень, кварцевые валуны), процентное содержание которых не более 50% от объема испытанного образца, сцементированного супесчаным заполнителем, полученное в натурных условиях, изменяется в интервале температур -5÷-10^o от 5 до 8 МПа [3], тогда по формуле (2)

а по формуле (3)

Полученные способами (2) и (3) результаты определения коэффициентов крепости пород не отражают реальное физико-механическое состояние многолетнемерзлых крупнообломочных пород и дают заниженные данные о прочностных свойствах таких пород. Определение коэффициентов крепости f по вышеприведенным формулам может привести к необоснованным техническим решениям по выбору техники и технологии разработки месторождений полезных ископаемых.

Поставленная цель достигается предложенным авторами способом определения крепости пород f, включающим испытание образцов на временное σврсж

, с последующим вычислением его по формуле при этом согласно изобретению образец, подверженный испытанию на сжатие (т.е. после определения прочности заполнителя, фракция менее 2 мм), взвешивается, высушивается и разделяется ситовым методом на отдельные фракции более 2 мм согласно составу пород (сланцы, песчаники, кварцевые булыжники и т д.). Затем определяют значения коэффициентов крепости f для многолетнемерзлых крупнообломочных пород. Такой способ определения общего коэффициента крепости f позволяет получить достоверное значение общего значения крепости для данных пород. Еще одним немаловажным преимуществом такой оценки общего коэффициента крепости f является то, что его значение можно определить косвенным путем, зная состав отдельных фракций и их процентное содержание и используя справочные материалы по прочностным свойствам, а затем их суммируя получить общий коэффициент крепости для многолетнемерзлых крупнообломочных пород.

Такой подход к определению общего коэффициента крепости f для многолетнемерзлых крупнообломочных пород позволяет наряду с установлением истинного значения коэффициента крепости для (МКП) намного упростить процедуру определения f, что позволило бы геологоразведочным организациям определить коэффициент крепости в стадии предварительной разведки месторождения.

Заявляемое решение имеет следующие отличительные признаки:
в многолетнемерзлых крупнообломочных породах значение коэффициента крепости определяют отдельно для каждого из составляющих его компонентов твердых включений и заполнителя, суммируют и получают значение коэффициента крепости пород f,
значение крепости f отдельных твердых включений определяется с учетом их процентного содержания относительно объема твердых включений.

Отсутствие в известных технических решениях сходных признаков дает основание считать отличительный признак соответствующим критерию "существенные отличия".

Предлагаемый способ определения коэффициента крепости f осуществляется следующим образом: от массива пород, сложенных многолетнемерзлыми крупнообломочными породами, берутся пробы методом бороздового опробования. Материал собирается на брезент, тщательно перемешивается и затем осуществляется отбор проб на определение гранулометрического состава методом квартования. Вес одной пробы должен быть не менее 3 кг. Породу взвешивают, высушивают и просеивают по фракциям. Твердые включения более 2 мм отделяют от заполнителя, группируют по фракциям, определяют их процентное содержание относительно объема твердых включений в пробе, с учетом которого определяют коэффициенты крепости пород, составляющих образец, а значения коэффициента крепости для образца f_обр определяют суммированием коэффициентов крепости пород и заполнителя, составляющих образец, из выражения

где - коэффициент крепости заполнителя;
- коэффициенты крепости крупнообломочных пород отдельных составляющих испытываемого образца;
σсжзап

, σсж1, σсжn - временное сопротивление на одноостное сжатие соответственно заполнителя 1-ой и n-ой фракции крупнообломочных пород, составляющих испытываемый образец;
n₁.....n_n - относительное процентное содержание 1-ой и n-ой фракции крупнообломочных пород относительно их общего объема.

В таблице 1 приведены результаты определения гранулометрического состава пробы и принятые значения коэффициентов крепости.

Значение коэффициента крепости кварцевых булыжников равно f = 20, но на данном примере с учетом его процентного содержания относительно объема твердых включений, составляющего всего 10%, принимается значения f = 2. Таким же образом определяется значение коэффициента крепости для песчанистых сланцев, которое с учетом процентного содержания пород с коэффициентом крепости f = σ, (40%) принято f = 2,4. Коэффициент крепости заполнителя (песок, супесь, суглинок) определяется прямым испытанием на сжатие или при наличии данных ранее проведенных исследований используются значения в зависимости от отрицательной температуры и влажности пород с применением формулы Причем значения коэффициента крепости заполнителя определяются без учета процентного содержания, так как по нашим исследованиям и по исследованиям В. Н.Тайбашева (ВНИИ-1) для пород, крупнообломочная фракция в которых составляет менее 70% общего веса скелета породы, прочностные и деформативные свойства определяются в основном составом заполнителя [3, 4].

fJ_обр = fJ_зап+(σ₁n₁+σ₂n₂),
fJ_обр = 0,6 + (20•0,1 + 6•0,4) = 5,
где fJ_зап - коэффициент крепости заполнителя,
σ₁ - коэффициент крепости кварцевых булыжников,
σ₂ - коэффициент крепости гальки и щебня песчанистых сланцев,
n₁ - процентное содержание кварцевых булыжников относительно твердых включений,
n₂ - процентное содержание гальки и щебня песчанистых сланцев относительно твердых включений.

Итак, значение коэффициента крепости для (МКП) для супесчаного суглинка с галькой и щебнем с включениями кварцевых булыжников равно 5.

Достоверность определения коэффициента крепости (МКП) предлагаемым способом можно подтвердить на следующем примере: в Единых нормах выработки (времени) Министерства геологии СССР на горнопроходческие работы 1969 г. приняты единая классификация горных пород с разделением на 20 категорий [5].

Как видно из таблицы 2, f = 4-5 соответствует категории пород от VI-X.

Более точное соответствие коэффициента крепости f = 5 к категории VI состоящих из мерзлых песчано-глинистых грунтов с включением гальки, щебня и валунов (мерзлые породы III-IV категории) приводится в таблице 1 [6].

Экономический эффект данного изобретения нами не подсчитан. Считаем, что его применение на стадии разведки россыпных месторождений позволяет выбрать наиболее эффективные средства и механизмы разрушения (МКТТ) при их эксплуатации, что будет способствовать внедрению передовых технологий разработки и способствовать ускорению научно-технического прогресса в горной промышленности.

Источники информации
1. Л.И.Барон. Коэффициент крепости горных пород. - М.: Наука, 1972, 175 с.

2. Л. И. Барон. Горно-технологическое породоведение. - М.: Наука, 1977, 323 с.

3. Марков В.С. Исследование физико-механических свойств пород россыпных месторождений Кулара//Колыма. - 1986. - 11. - С. 11-13.

4. Тайбашев В.Н. Физико-механических свойства мерзлых крупнообломочных пород/ВНИИ-1 золото и ред. металлов. - Магадан, 1973, - 156 с.

5. Справочник горного мастера геологоразведочных партий.- М.: Недра, 1973, 356 с.

6. Единые нормы выработки (времени) на разработку россыпных месторождений подземным способом. - М., 1982. 306 с.

Изобретение относится к горной промышленности, а точнее к определению общего коэффициента крепости f многолетнемерзлых крупнообломочных пород (МКП). Техническим результатом является повышение точности определения коэффициента крепости многолетнемерзлых пород. Для этого испытывают образцы МКП на временное сопротивление одноостному сжатию с последующим разделением на 10 по Протодьяконову М.М. Образец после испытания взвешивают, высушивают, разделяют ситовым методом на отдельные фракции. Затем отдельные крупнообломочные фракции более 2 мм отделяют от заполнителя, определяют процентное содержание каждой крупнообломочной фракции относительно их общего объема, с учетом которого определяют коэффициенты крепости пород, составляющих образец, а значения коэффициента крепости для образца f_обр определяют суммированием коэффициентов крепости пород и заполнителя, составляющих образец, из приведенного математического выражения. 2 табл.

Способ определения коэффициента крепости многолетнемерзлых крупнообломочных пород (МКП), включающий испытание образцов МКП на временное сопротивление одноостному сжатию с последующим разделением на 10 по Протодъякову М. М. , отличающийся тем, что образец после испытания взвешивают, высушивают, разделяют ситовым методом на отдельные фракции, затем отдельные крупнообломочные фракции более 2 мм отделяют от заполнителя, определяют процентное содержание каждой крупнообломочной фракции относительно их общего объема, с учетом которого определяют коэффициенты крепости пород, составляющих образец, а значения коэффициента крепости для образца f_обр определяют суммированием коэффициентов крепости пород и заполнителя, составляющих образец, из выражения

где - коэффициент крепости заполнителя;
- коэффициенты крепости крупнообломочных пород отдельных составляющих испытываемого образца;
σсжзап

, σсж1, σсжn - временное сопротивление на одноостное сжатие соответственно заполнителя, 1-й и n-й фракции крупнообломочных пород, составляющих испытываемый образец;
n₁. . . . . n_n - относительное процентное содержание 1-й и n-й фракции крупнообломочных пород относительно их общего объема.