Опыт использования геомеханических классификаций в зарубежной практике

© Е.В. Кузьмин, А.Р. Узбекова,

2003

УДК 624.131.2

Е.В. Кузьмин, А.Р. Узбекова

В'ПЫТ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ГЕОМЕХАНИЧЕСКИХ КЛАССИ-ИКАЦИЙ В ЗАРУБЕЖНОЙ ПРАКТИКЕ

зарубежной практике во время осуществления предварительных проектных расчетов, когда не имеется достаточно детальной информации о массиве горных пород, давлении в массиве и гидрогеологических характеристиках, используются системы классификации горных пород для обоснования проектных решений с дальнейшей их корректировкой по мере получения новых данных в ходе оценки массива.

Развитие системы классификаций горных массивов происходило более 100 лет. Одной из первых попыток сведения качественных характеристик массивов горных пород в классификацию для принятия определенных решений на ее основе была сделана в 1879 г. Риттером. Его вклад заключался в предложении применить подход к проектам проходки выработок, в частности к выбору их крепления, на основе опытных данных.

Ранние упоминания использования классификации массивов для обоснования выбора крепления выработок имеются в работе Терцаги (1946). В его работе нагрузка на несущие стальные оклады крепи оценивается на основе описывающей массив классификации. В настоящее время эта классификация практически не используется, однако основной вклад Терцаги заключается в том, что основное внимание в системе он уделяет тем характеристикам пород, которые имеют существенное влияние на устойчивость массива.

В 1958 г. Лоффер предположил, что время устойчивости для определенного пролета обнажения можно также соотнести к качественным характеристикам породы. В классификацию Лоффера были внесены изменения многими учеными. Сейчас она используется как часть общего подхода к проведению выработок и известна как «Новый Австрийский Метод Проведения Выработок».

Одна из самых значительных концепций в классификации базируется на том, что увеличение пролета обнажения приводит к значительному сокращению времени устойчивости до установки крепи.

«Новый Австрийский Метод Проведения Выработок» включает рассмотрение ряда технических вопросов, позволяющих произвести расчет параметров крепления для безопасного проведения выработок, время устойчивости которых ограничено. Решение достигается проведением пилотных выработок с последующим их расширением или уступной проходкой.

Индекс качества руды или RQD -был разработан Диром в 1967 г. для количественной оценки качества массива по данным керно-вого бурения. Этот показатель определяется как процентное отношение кусков более 100 мм к общей длине керна. Керн должен иметь, по меньшей мере, диаметр более 55 мм и должен быть пробурен сдвоенной трубой керна.

^ 1|>10см)

RQD =

Палмсторм в 1982 г. предложил следующее соотношение для расчета RQD по количеству трещин на единицу объема:

RQD = 115  где Jv

Jv = У — ^S1

3^

объемный показатель

трещиноватости

S - расстояние между трещинами в опреде-

ленной плоскости трещиноватости, м.

Недостатками данного показателя являются чувствительность данных к направлению бурения, а также трудности при подсчете данного значения при среднем расстоянии между трещинами более 1 м.

RQD Дира широко использовался в течение 25 лет для определения допустимого давления и выбора крепления, особенно в Северной Америке, а 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 (рейтинга структуры массива). В большей степени развитие этой системы опиралось на рассмотрении примеров крепления выработок относительно небольшого сечения арочной крепью и стальной сеткой, хотя исторически впервые в этой системе появляются ссылки на использование набрызгбетона.

В данной системе впервые используются рейтинговые показатели для описания массивов.

Рейтинг RSR складывается из трех составляющих: RSR= =А+В+С

A. Геология: Общая оценка геологического строения.

B. Геометрия: Влияние трещиноватости образца по отношению к направлению проведения выработки;

C. Влияние подземных водопритоков и условий трещиноватости;

Рис. 1. Соотношение между временем устойчивости массива и RMR

0,004 0,01

Индекс качества породного массива Q ;

Jw

Ка

егории крепления

1)без крепления

2)рассосредоточенное анкерование

3)систематическое анкерование

4) систематическое анкерование с 40-100мм толщиной набрызгбетона

5) фибробе

6) фибробе

7) фибробет

8) фибробетонированный кар

9) бетонирование

>н, толщиной 50-90мм н 90-1 20мм, анкера н 120-150мм, анкера

Максимальный показатель RSR равен 100. Далее в работе приводились графики, для определения соответствующей системы крепления.

В настоящее время RSR практически не используется, однако эта система являлась еще одним шагом в эволюции классификаций массивов, в которой впервые вводится понятие рейтингового показателя массива.

В 1976 г. Бенявский опубликовал детали классификации массива горных пород - геомеханической классификации или рейтинга массива горных пород (ЯМЕ). Одна из последних версий ЯМЕ, была опубликована в 1989 г.

В классификации массивов рассматриваются следующие 6 параметров: прочность пород на одноосное сжатие; индекс качества пород RQD; расстояние между трещинами; условия трещиноватости; условия подземных вод; направление трещин.

При применении этой классификации, массив горных пород делится на число структурных областей, и каждая область имеет свой рейтинговый показатель. Обычно границы этих структурных областей совпадают с основными геологическими структурами, разделенными тектоническими нарушениями или характеризуются изменением типов пород.

В 1989 г., Бенявский опубликовал комплекс систем крепления для имеющихся диапазонов показателей ЯМЕ На основе показателей ЯМЕ были выведены и зависимости для определения пролета устойчивого обнажения. Кроме этого, были созданы графики зависимости времени устойчивости выработок от пролета обнажения согласно системы ЯМЕ

В 1974г была разработана классификация Q или NGI -(Норвежского геотехнического института) Бартоном, Лие-ном и Люндом.

Численное значение индекса Q варьирует от 0,001 до 1000 по логарифмической шкале и определяется по формуле:

„ RQD Jr Jv

Q = х — х——

Jn Jа SRF

где RQD - индекс качества породы; Л - количество систем трещин; Зг - показатель шероховатости трещин; За - показатель изменения числа трещин; Л, -фактор наличия подземных вод; SRF - фактор давления в массиве.

Для более полного соответствия Q к требованиям крепления выработок, Бартон, Лиен и Люнде в 1974 г. предложили использовать следующее соотношение: Эквивалент-

Рис. 2. График выбора крепления на основе показателя индекса качества массива р

ный диаметр (Ое) - отношение пролета выработки к коэффициенту необходимого времени устойчивости крепления ESR.

Длина анкеров определяется исходя из пролета выработки В и показателя времени существования выработки ESR.

2 + 0.155

L =

ESR

I

Максимальный устойчивый пролет обнажения:

= 2ESR • Q04

Классификации Бенявского (1973, 1974) и Бартона, Лаена и Лунда (1974) учитывают прочность нетронутого породного массива, число и свойства поверхностей трещин и их густоту, а также влияние подземных вод, напряжения в нетронутом массиве, пространственное расположение и простирание основных систем трещин.

В обеих классификациях и Q и ЯМЕ рейтинговые показатели массивов рассчитываются при рассмотрении основных характеристик горного массива (прочность нетронутого массива, фрикционные свойства, структура блоков, ограниченных трещинами и трещиноватость внутри блоков).

Часто предпринимались попытки связать системы. Наиболее часто для этого используется соотношение:

ЯМЕ = 9 1п Q + 44

Вследствие того, что перечисленные системы основывались на примерах подземного строительства гражданских сооружений, возникла необходимость составить специальную классификацию для горнодобывающей промышленности. Поэтому система Бенявского была модифицирована и дополнена для возможности использования в горном деле.

Кендорским был изменен рейтинг Бенявского для практического его использования для определения параметров систем с обрушением. Система, в основном, получила распространение в США.

Лобшир (1977, 1984), Лобшир и Тейлор (1976) и Лоб-шир и Пейдж (1990) привели описание системы Горного рейтинга массива горных пород (МЕМЯ). Она основывается на ЯМЯ, но в нее были также внесены дополнительные параметры для более точного учета влияния давления в нетронутом массиве и привнесенного давления, изменения давления, влияния взрывных работ и выветривания.

Процентные соотношения, учитываемые в рейтинге, включают следующие параметры: выветривание, направление трещин, вносимое давление, взрывные работы.

ЯМЯ здесь определяется как сумма прочности породного блока RBS и общего рейтинга трещиноватости.

Система МЕМЯ используется для проектирования. Рейтинговый показатель получается путем перемножения соответствующих коэффициентов выветривания, привнесенного давления, направления трещин, влияния взрывных работ и подземных вод массив.

2 ,4

1 ,5

0,001

0 ,04 0 ,1

0,4 1

10

100

1 0 00

RQD

и анкера

МИМЯ = ИМЯ х коэффициенты

В общем случае, подсчет МЕМЯ может применяться для следующих целей: выбора крепления, составления диаграмм зон обрушения, определения устойчивости уступов карьера, расчета целиков, определения степени обрушае-

мости массива, объемов самообрушения и неустойчивых зон, степени дробимости при системах с самообрушением и выбора параметров систем с обрушением, согласования ведения очистных работ, оценки потенциально возможное обрушение свода.

------------ СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Hoek E. and Brown E.T. 1980. «Underground Excavations in Rock». London. Institution of Mining and Metallurgy

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ ----------------------------------------------------------------------------------------------------

Кузьмин Евгений Викторович — профессор, доктор технических наук, зав. кафедрой, Московский государственный горный университет.

Узбекова А.Р. — Московский государственный горный университет.