Определение рейтинга массива горных пород по геомеханической классификации Д. Лобшира для условий алмазного месторождения

УДК 621.273.132

Определение рейтинга массива горных пород по геомеханической классификации Д. Лобшира для условий алмазного месторождения

H.О. Губинский

Горный институт КНЦРАН

Аннотация. В работе описывается 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.

Abstract. The Laubscher's MRMR rock mass classification system has been described in this paper. The ratings definition of ores and host rocks of diamond deposit located in the Russian Federation has been carried out. It has been shown that ores and host rocks, according to MRMR classification, belong to the 4th class and have poor stability (good cavability), except for the rocks of the Upper assise. The mining method selection and underground openings support recommendations have been given.

Ключевые слова: геомеханическая классификация Лобшира, алмазное месторождение Key words: MRMR, Laubsher, diamond deposit

I. Введение

Свойства массивов горных пород достаточно разнообразны, и для описания их характеристик возникла необходимость систематизации и сведения к общему числовому показателю (Кузьмин, Узбекова, 2004).

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. (Кузьмин, Узбекова, 2004; 2006; Введение..., 1983; Beniawski, 1989; Laubscher, 1990; Laubscher, Jacubec, 2000; Булычев, 1982).

2. Описание рейтинговой классификации Д. Лобшира

На сегодняшний день в мировой практике наиболее многофункциональной и практичной является рейтинговая классификация Д. Лобшира (MRMR - Mining Rock Mass Rating).

Рейтинговая классификация Лобшира 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. (Кузьмин, Узбекова, 2006; Jacubec, Laubscher, 2000).

Представленное ниже описание классификации, а также приводимые формулы, коэффициенты и т.д. взяты из следующих источников: Кузьмин, Узбекова, 2006; Laubscher, Jacubec, 2000.

В целом алгоритм определения рейтинга массива по данной классификации можно представить в виде блок-схемы (рис. 1). Как видно из нее, рейтинг MRMR складывается из частных рейтингов (IRMR), учитывающих прочностные характеристики массива, количественные и качественные характеристики трещиноватости, которая, в свою очередь, домножается на поправочные коэффициенты, отражающие степень выветрелости пород, ориентацию трещин в массиве, параметры напряженного состояния, гидрогеологические условия и др.

Также получение рейтинга MRMR можно выразить формулой:

Исходные данные

Предел прочности на одноосное сжатие, МПа

Расстояние между трещинами рейтинг 0-35

Поправка по густоте трещин 60-100%

Наличие сцементированных трещин поправка 70- 100%

Рейтинг по прочности 0-25

Условия трещиноватости рейтинг = 0-40

Общий рейтинг по трещиноватости 0-75

Рейтинг IRMR = 0-100

выветривание ориентация трещин Поправки к рейтингу напряженное состояние взрывание гидрогеологические условия

Рейтинг

Качественная характеристика массива и проектные решения

Обрушаемость, устойчивость, 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 МЯМЯ по классификации профессора Д. Лобшира

MRMR = RMR х к; RMR = Rrbs + JS + Je,

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 = 1RS х 0,8,

где 1RS - 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 1RS -FF/m (количество трещин на 1 м).

Таким образом, RBS определяется как

RBS = 1RS х 0,8 х к,

где к - коэффициент корректировки 1RS, доли ед.

Данное вычисление позволяет найти коэффициент корректировки RBS по номограмме, представленной на рис. 2. В номограмме под инверсией понимается величина, обратная коэффициенту крепости заполнителя по шкале Мооса. В табл. 1 приведены значения коэффициентов крепости наиболее распространенных видов заполнителей.

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.

Рис. 2. Номограмма корректировки

прочности нетронутого массива с учетом крепости руды и густоты трещин

Рис. 3. Определение рейтинга Яцлэ прочности породного блока

Коэффициент корректировки 1115

1,00 0,95 0,90 0,85 0,80

0,75

0,70 0,65 0,60

Рис. 4. Рейтинг трещиноватости массива ^

0,1

25

0,2 0,4 1 2 5

Инверсия крепости хРР/т

10

40

го

15

10

0 10 20 30 /10 50 60 80 100 120 140 160 Показатель ИВ5, МПа

Объем блока, м3

27 61 125

ОД "0,5 0,7 1,0 " 2,0

Расстояние между трещинами, м

Таблица 1. Таблица к определению показателя инверсии по коэффициенту крепости

Заполнитель Тальк, молибден Гипс, хлорит Кальцит, ангидрит Флюорит, халькопирит Апатит

Коэффициент крепости заполнителя 1 2 3 4 5

Инверсия 1,0 0,5 0,33 0,25 0,2

Рейтинг Зс определяется следующим образом

г „п А В С Б Е

J = 40 х-х-х — х-х-.

с 100 100 100 100 100

Как видно из формулы, максимальное значение Jc равно 40 и подлежит корректировке с помощью коэффициентов А - Е, представленных в табл. 2. Для вычисления рейтинга МЯМЯ необходимо умножить рейтинг ЯМЯ 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 %.

ВестникМГТУ, том 12, №4, 2009 г. стр.694-701 Таблица 2. Поправочные коэффициенты к показателю Зс

А. Крупномасштабное влияние трещин

Разнонаправленные волнообразные Однонаправленные волнообразные Кривые

Слегка волнообразные или прямые

100 95 90 85

В. Небольшие расстояния между трещинами 200x200 мм Неровные выступы/нерегулярные Плавные выступы Гладкие выступы Шероховатые волнистые Плавные шероховатые Гладкие и шероховатые Шероховатые плоские Плавные плоские Гладкие

95 90 85 80 75 70 65 60 55

С. Стенки трещин деформированы и слабее, чем породы и заполнитель

75

Б. Раздувы

Толщина < протяженности _Толщина > протяженности

60 30

Е. Сцементированные наполненные трещины _ (порода прочнее заполнителя т

зещин):

Крепость заполнителя

Значение коэффициента

95

90

85

80

75

1

Таблица 3. Коэффициенты по фактору выветривания

Степень выветренности пород, % полгода 1 год 2 года 3 года 4 года 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

Число трещин, Число забоев, отклоненных от вертикали

определяющих блок 70 % 75 % 80 % 85 % 90 %

3 3 - 8 - -

4 4 3 - 2 -

5 5 3 3 2 1

6 6 5 4 3 2,1

Таблица 5. Коэффициенты ориентации трещин

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

Процесс проходки Влияние, %

Бурение 100

Гладкое взрывание 97

Хорошее стандартное взрывание 94

Плохое взрывание 80

Таблица 7. Влияние подземных вод

Влажные условия Среднее давление 1 - 5 МПа, 25 - 125 л/мин Высокое давление > 5 МПа, > 125 л/мин

95-90 % 90-80 % 80-70 %

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 прочности 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 МЯМЯ будет изменяться от 100 до 120 %.

В табл. 8 приведена методика Д. Лобшира по определению параметров систем разработки с обрушением на основе рейтинговых показателей массивов.

Таблица 8. Определение параметров систем разработки на основе рейтинговых показателей массива

МЯМЯ

Класс/рейтинг 5 / 5 - 20 4/21 - 40 3/41 - 60 2/61 - 80 1 /81 - 100

Этажное самообрушение

Гидравлический радиус, м 1 - 8 8 - 18 18 - 32 32 - 50 >50

Обрушаемость Очень хорошая Хорошая Средняя Плохая Очень плохая

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 >700

расход ВВ, г/т 0 - 20 20 - 60 60 -150 150 - 250 >250

Диаметр зоны выпуска, м 6 - 7 8 - 9 10 - 11,5 12 - 13,5 15

Ширина зоны выпуска (диаметр воронок), м:

для грохотов для лебедок 5 - 7 5 - 7 7 - 10 7 - 10 9 - 12 9 - 12

для ПДМ 9 9 -13 11 - 15 13 - 18

Ширина пунктов выпуска, м 1,5 - 2,4 2,4 - 3,5 2,4 - 4 4

Комментарий Хорошая дробимость, усиленное Средняя дробимость, среднее От среднего к крупным блокам, Крупные блоки, большие ПДМ, большой объем

крепление крепление вторичное дробление вторичного дробления

Подэтажное обрушение

Потери скважин Выше среднего Средние Незначительные - -

Крепление Усиленное Среднее Среднее Локальное -

Разубоживание Очень высокое Высокое Среднее Локальное -

Комментарий Неприменимо Применимо Удовлетворительно

3. 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.

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).

Рис. 5. Схематический геологический разрез в районе алмазного месторождения

3.1. Массив вмещающих пород

Для условий Верхней свиты

RMRB - Rrbs + JS + J с.

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 вмещающих пород практически нетрещиноват, получаем:

RBSB - IRS х 0,8 - 3 х 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 (Jc) определяется по характеру трещиноватости: трещины - волнообразные разнонаправленные (А - 100 %), с гладкими выступами (В - 85 %), заполнены мелкокусковым материалом, крепостью заполнителя (по шкале Мооса) 1.

r Лп A B C D E _ 100 85 75

J = 40 х-х-х-х-х-= 40 х-х-х-

c 100 100 100 100 100 100 100 100

25,5.

Получаем

RMRB - 1 + 35 + 25,5 - 61,5.

Водопритоки понижают прочность массива. Для условий Верхней свиты средний водоприток составляет 6314 л/мин. По табл. 6 получаем понижающий коэффициент 0,7.

Поскольку руды и породы не ослаблены выветриванием, то коэффициент по данному показателю в дальнейших расчетах учитываться не будет. В итоге

MRMRB - RMRB х k - 61,5 х 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 х 0,8 - 5 х 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.

т ,n A B C D E Лп 85 65 75

J = 40 х-х-х-х-х-= 40 х-х-х-« 17.

с 100 100 100 100 100 100 100 100

RMRC = 2 + 35 + 17 = 54.

Средний водоприток составляет 1068 л/мин. По табл. 6 получаем понижающий коэффициент 0,7.

МЯМЯС = RMRC х к = 54 х 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 = 1RS х 0,8 = 10 х 0,8 = 8. По графику (см. рис. 3) - Rrbs « 4. JS « 35.

Трещины - прямые (А = 85 %), стенки шероховатые (В = 65 %), заполнены мелкокусковым материалом, крепостью заполнителя (по шкале Мооса) 1.

г ,n A B C D E Лп 85 65 75

J = 40 х-х-х-х-х-= 40 х-х-х-« 17.

с 100 100 100 100 100 100 100 100

RMRН = 4 + 35 + 17=56.

Средний водоприток составляет 200 л/мин. По табл. 6 получаем понижающий коэффициент 0,7.

MRMRH = RMRН х к = 56 х 0,7 « 39.

3.2. Массив трубки взрыва

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 х 0,8 х к,

где к - коэффициент корректировки 1RS. 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 3. Следовательно, инверсия - 0,33 (см. табл. 1). FF/m = Мтр = 8. Получаем значение "инверсия крепости х FF/m" = 0,33 х 8 « 2,6. По номограмме корректировки прочности (рис. 2) имеем к « 0,77. В итоге

RBSK = 12 х 0,8 х 0,77 « 7.

По графику (см. рис. 3) рейтинговый показатель RRBS« 4. По графику (рис. 4) JS « 12. Трещины однонаправленные волнообразные (А = 95 %), с гладкими выступами (В = 85 %), имеются раздувы (D = 60 %), заполнены мелкокусковым материалом, крепостью заполнителя 1.

7 .. A B C D E Л1Л 95 85 60 75

J = 40 х-х-х-х-х-= 40 х-х-х-х-« 14,5.

с 100 100 100 100 100 100 100 100 100

RMRfc = 4 + 12 + 14,5 = 30,5.

Понижающий коэффициент, учитывающий притоки подземных вод, для условий кратерной части трубки, находящейся в отметках Верхней свиты, также будет равен 0,7. Получаем

MRMRK = RMRK х к = 30,5 х 0,7 « 21.

Для условий жерловой части трубки

Средний предел прочности образцов жерловой части трубки на одноосное сжатие равен 50 МПа, модуль трещиноватости - 8 тр/м (среднее расстояние между трещинами - 0,13 м), получаем:

RBSM = 50 х 0,8 х 0,77 « 31.

По графику (рис. 3) рейтинговый показатель Rrbs« 13. Рейтинг JS « 12. Рейтинг Jc, по аналогии с кратерной частью трубки, равен 30,5.

ЯМЯЖ = 13 + 12 + 30,5 = 55,5.

Понижающий коэффициент, учитывающий притоки подземных вод, равен 0,7.

МЯМЯЖ = ЯМЯЖ х к = 55,5 х 0,7 = 39.

Результаты расчетов рейтинга МЯМЯ для условий руд и вмещающих пород алмазного месторождения сводим в табл. 9.

Таблица 9. Итоговая таблица расчетов рейтинга MRMR

Вмещающие породы Руды

Верхняя Срединная Нижняя Кратерная Жерловая

свита свита свита часть трубки часть трубки

Рейтинг MRMR 43 38 39 21 39

Класс пород по Д. Лобширу 3 4 4 4 4

Описание пород по Средняя Низкая Низкая Низкая Низкая

устойчивости

Как видно из табл. 9, руды и породы данного месторождения относятся к 4 классу и имеют низкую устойчивость (хорошую обрушаемость), за исключением пород Верхней свиты, которые принадлежат к 3 классу и имеют среднюю устойчивость (среднюю обрушаемость). 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.

4. Заключение

В данной работе рассмотрен пример использования геомеханической классификации проф. Д. Лобшира для получения качественной характеристики исследуемого массива горных пород.

Результаты расчетов показали, что руды и породы рассматриваемого алмазного месторождения принадлежат 4 классу и характеризуются низкой устойчивостью (хорошей обрушаемостью). Исключение составили породы Верхней свиты, относящиеся к 3 классу и имеющие среднюю устойчивость (среднюю обрушаемость).

В целом, 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).

Литература

Beniawski Z.T. Engineering rock mass classification. Wiley, New York, 251 p., 1989.

Jacubec J., Laubscher D.H. The MRMR rock mass rating classification system in mining practice. Brisbane, p.413-421, 2000.

Laubscher D.H. A geomechanics classification system for the rating of rock mass in mine design. J Sth Afr Inst

Min Met, v.90(10), p.257-273, 1990. Laubscher D.H., Jacubec J. The MRMR Rock Mass Classification for jointed rock masses. Foundations for

Design. Brisbane, p.475-481, 2000. Булычев Н.С. Механика подземных сооружений. Учебник для вузов. М., Недра, 270 с., 1982. Введение в механику скальных пород. Под ред. X Бока. М., Мир, 276 с., 1983.

Кузьмин Е.В., Узбекова А.Р. Рейтинговые классификации массивов скальных пород: предпосылки

создания, развитие и область применения. ГИАБ, № 4, с.201-202, 2004. Кузьмин Е.В., Узбекова А.Р. Самообрушение руды при подземной добыче. Учебное пособие. М., Изд-во Московского государственного горного университета, 283 с., 2006.