ГОРНОЕ ДАВЛЕНИЕ И КРЕПЬ ГОРНЫХ ВЫРАБОТОК

Глава 3

Классификация горных пород

Горно-технологические свойства горных пород

Абразивностью называется способность горной породы изнашивать контактирующие с ней поверхности горных машин или горного оборудования в процессе их работы. Абразивность пород зависит от твердости породообразующих минералов, характера сцепления зёрен друг с другом, крупности и формы зерен, плотности пород и степени её трещиноватости. Чем тверже и крупнее зёрна минералов и чем острее их рёбра, тем выше абразивность пород. Наибольшей абразивностью обладают породы с мягким цементом.

Абразивность горных пород оказывает существенное влияние на технико-экономические показатели проведения горно-разведочных выработок (выбор более энергоёмких и трудоёмких средств бурения шпуров, погрузки пород).

Буримость – способность горной породы сопротивляться проникновению в нее бурового инструмента. Буримость породы характеризуется скоростью бурения (мм/мин), реже – продолжительностью бурения 1 м шпура (мин/м). Буримость горных пород положена в основу современной классификации горных пород.

Взрываемость горных пород – сопротивляемость горной породы разрушению действием взрыва. Определяется удельным расходом ВВ (кг/м³) или количеством энергии ВВ (удельная затрата энергии ВВ), необходимым для образования прямоугольной воронки взрыва при глубине заложения заряда 1 м и помещении его в шпур с конечным диаметром 40 мм, расположенный под углом 45° к горизонтальной свободной поверхности.

Показатели буримости и взрываемости являются функцией комплексного влияния природных и технических факторов. Буримость влияет на выбор технических средств (способ бурения, тип бурового оборудования и инструмента и пр.), технологических параметров бурения (частота вращения, осевое усилие, способ и полнота удаления из забоя шпура продуктов разрушения и пр.) и последующие технико-экономические показатели рабочего процесса. Взрываемость определяет выбор типа ВВ, конструкции вруба, заряда и пр. Понятия буримости и взрываемости развивают понятие крепости при конкретных видах работ.

Крепость – способность горной породы сопротивляться бурению, отбойке, взрыванию и другим внешним воздействиям, т.е. сопротивляться разрушению от действия внешних усилий. Понятие крепости дает общую характеристику горной породы при любых производственных процессах, в том числе при бурении и взрывании. Наиболее распространено определение крепости породы по временному сопротивлению на раздавливание.

Для практических целей классификация горных пород необходима при нормировании труда на отдельных видах работ. Почти все горные процессы – отделение породы от массива, ее перемещение, дробление, сортировка, проветривание выработок, управление горным давлением – зависят в первую очередь от свойств пород. Изучение физических свойств пород возможно только на основе обобщенной их классификации по физическим свойствам.

Первые попытки классифицировать горные породы относятся к концу XVIII в. В настоящее время известны классификации горных пород проф. М.М. Прото-дьяконова, проф. П.М. Цимбаревича, А.Ф. Суханова, «Союзвзрывпрома», Криворожская, «Главшахтостроя», по буримости, взрываемости и др.

Классификации горных пород в работе [39] разбиваются на две большие группы: общие и частные. В общих классификациях горные породы разбиваются на большие группы по генетическому принципу, признаку минерального состава, по признаку строения или по тому и другому одновременно. Частные классификации для целей горного дела используются при решении производственных или научных задач и основаны на разделении пород по какому-либо одному физическому свойству или характеристике.

Из частных классификаций можно указать:

– классификацию горных пород по коэффициенту крепости (различают породы в основном по пределу прочности на сжатие);

– классификации пород по пористости, плотности, твердости, электропроводности, теплопроводности и т.д.;

– технологические классификации по какому-либо технологическому параметру (по буримости, взрываемости, экскавации, дробимости, обогатимости и др.).

Все общие классификации пород являются качественными, характеризующими минеральный состав и строение пород как основные факторы, от которых зависят физические свойства пород. Однако они не содержат в себе количественного признака. Частные классификации являются количественными классификациями, но они построены по отдельным (единичным) свойствам пород без учета тех качественных показателей из общих классификаций, которые по существу определяют все их свойства.

В настоящее время наибольшее распространение нашли частные классификации.

Самой известной классификацией горных пород по крепости является шкала проф. М.М. Протодьяконова (табл. 16). Для того чтобы отнести породу к той или иной категории, необходимо знать коэффициент крепости. Для его определения М. М. Протодьяконов пользовался результатами испытаний образцов горных пород на сжатие. При определении коэффициента крепости принимается, что каждая единица крепости соответствует 100 кгс/см² прочности на сжатие, т.е. f=R_сж /100. Все породы разбиты по крепости на десять категорий, пять из которых имеют подкатегории предела прочности данной породы при одноосном сжатии.

В дальнейшем в коэффициент крепости Л.И. Бароном была внесена поправка

Для сыпучих пород в качестве коэффициента крепости принимается числовое значение коэффициента внутреннего трения. Коэффициент крепости пород широко используется в инженерных расчетах, особенно при определении параметров буровзрывных работ.

Единая классификация по буримости (табл. 17) введена в действие с 1 января 1969 г. Классификация разработана в Центральном бюро планирования и нормирования труда (ЦБПНТ) в 1968 г. В основу ее положено время основного (чистого) бурения 1 м шпура в минутах в идентичных условиях различных по физическим свойствам пород. Все горные породы разбиты на двадцать категорий.

Таблица 16

Категория	Степень крепости пород	Порода	Коэффициент крепости
I II III IIIа IV IVа V Va VI VIa VII VIIa VIII IХ X	В высшей степени крепкие Очень крепкие Крепкие То же Довольно крепкие То же Средние То же Довольно мягкие То же Мягкие То же Землистые Сыпучие Плывучие	Наиболее крепкие, плотные и вязкие кварциты и базальты. Исключительные по крепости другие породы Очень крепкие гранитовые породы, кварцевый порфир, очень крепкий гранит, кремнистый сланец. Менее крепкие, чем указано выше, кварциты Самые крепкие песчаники и известняки. Очень крепкие железные руды Гранит (плотный) и гранитовые породы. Очень крепкие песчаники и известняки. Кварцевые рудные жилы. Крепкий конгломерат Известняки (крепкие). Некрепкий гранит. Крепкие песчаники. Крепкий мрамор. Доломит. Колчеданы Кварцит с трещинами. Обыкновенный песчаник. Железные руды (средней крепости). Песчанистые сланцы. Сланцевые песчаники. Крепкий глинистый сланец. Некрепкий песчаник и известняк. Мягкий конгломерат Различные сланцы (некрепкие). Плотный мергель. Мягкий сланец. Очень мягкий известняк, мел, каменная соль, гипс, мерзлый грунт, антрацит. Обыкновенный мергель. Разрушенный песчаник, сцементированная галька и каменистый грунт Щебенистый грунт. Разрушенный сланец, слежавшаяся галька и щебень, крепкий каменный уголь. Отвердевшая глина Глина (плотная). Мягкий каменный уголь. Крепкий нанос. Глинистый грунт Легкая песчанистая глина. Лесс. Гравий Растительная земля. Торф. Легкий суглинок. Сырой песок Песок осыпь. Мелкий гравий. Насыпная земля. Добытый уголь Плывуны. Болотистый грунт. Разжиженный лесс и другие разжиженные грунты	1,5 0,8 0,6 0,5 0,3

Испытания горных пород по буримости проводились при следующих стандартных технических условиях:

– давление сжатого воздуха у перфоратора – 0,5 МПа;

– коронки однодолотчатой формы (в трещиноватых породах – крестовой формы), армированные твердыми сплавами ВК-15, ВК-8В, ВК-11В, с углом заострения 110° и диаметром 40 мм (для перфораторов ПТ-36 и КС-50 диаметр коронки бура принят 85 мм);

– бурение ручным молотком (перфоратором) с пневмоподдержки, соответствующей типу молотка, с промывкой шпуров водой.

Таблица 17

Временное сопротивление сжатию, МПа	Категория крепости пород по ЦБПНТ	Горные породы	Коэф-фициент крепости по шкале М.М. Протодья-конова

		Глина сухая, рыхлая в отвалах. Лесс рыхлый влажный. Песок. Супесь рыхлая. Торф и растительный слой без корней	0,1
	II	Гравий. Суглинок легкий, лессовидный. Торф и растительный слой с корнями или с небольшой примесью мелкой гальки и щебня	0,3
	III	Галька размером от 10 до 40 мм. Глина мягкая жирная. Песчано-глинистые грунты. Дресва. Лед. Суглинок тяжелый. Щебень различных размеров	0,3
	IV	Галька размером от 41 до 100 мм. Глина сланцевая маренная. Галечнощебнистые грунты, связанные глиной. Песчано-глинистые грунты с включением гальки, щебня и валунов. Соли мелко- и среднезернистые. Суглинки тяжелые с примесью щебня. Угли весьма мягкие	0,8–1
	V	Алевролиты глинистые, слабосцементированные. Аргиллиты слабые. Конгломераты осадочных пород. Марганцевые окисные руды. Мергель глинистый. Мерзлые породы I−II категорий. Песчаники слабосцементированные с песчано-глинистым цементом. Угли мягкие. Мелкие желваки фосфорита	1,2
	VI	Гипс пористый. Доломиты, затронутые выветриванием. Железная руда синька. Известняки оталькованные. Мерзлые породы III−IV категорий. Меловые породы мягкие. Мергель неизмененный. Руды охристо-глинистые с включением желваков бурого железняка до 50%. Пемза. Сланцы углистые. Трепел. Угли средней крепости с ясно выраженными плоскостями напластования	1,6

Продолжение табл. 17


VII	Алевролиты плотные глинистые. Гипс плотный. Глины песчанистые. Доломиты неизмененные. Мартитовые руды мягкие. Змеевики оталькованные. Известняки мягкие. Ил плотный мелковидный. Конгломераты слабых осадочных пород с известково-глинистым цементом. Мергель известковистый. Опоки тонкозернистые. Сильвиниты с прослойками каменной соли. Сланцы сильно выветрелые: аспидные, хлоритовые, слюдистые. Сланцы охристые и углистые с прослойками глины. Соль каменная с мергелистыми прослойками и включением ангидрида. Солончак плотный. Угли выше средней крепости
VIII	Антрациты и другие крепкие угли. Аргиллиты средней плотности. Глины отвердевшие. Железные руды мягкие. Змеевики с включением асбеста. Колчеданы зоны выщелачивания. Карналлит. Ракушечник. Свинцово-цинковые окислые руды. Сильвиниты мелкокристаллические. Сланцы: метаморфизованные хлоритовые, кальцито-хлоритовые, серицитовые, кварцево-серицитовые и серицито-хлоритовые, глинистые, углисто-глинистые, слабые песчанистые. Туфы выветрелые. Мерзлые породы VI−VII категорий	2–3
IX	Алевролиты песчано-глинистые. Антрациты плотные и весьма крепкие вязкие угли. Совершенно выветрелые каолинизированные граниты, гранодиориты, диориты. Диабазы совершенно выветрелые. Выветрелые: железные руды пористые, известняки мергелистые. Лимониты. Мел плотный. Песчаники выветрелые каолинизированные и глинистые крупнозернистые. Совершенно выветрелые каолинизированные: порфириты, сиениты. Соль калийная. Туфы, затронутые выветриванием	3–4
X	Апатитовая сахаровидная руда. Брекчии рудные. Граниты сильно выветрелые. Гипсо-ангидрит. Дуниты сильно выветрелые. Руды буро-железняковые облитовые. Змеевики сильно выветрелые. Известняки мергелистые средней крепости. Конгломераты с глинистым цементом. Сланцы глинистые, кристаллические, слюдяные, серицитовые и талько-хлоритовые, углистые и горючие. Сульфидные брекчеевидные и сульфидномедно-никелевые руды. Фосфориты слабосцементированные желваковые. Церусситовые руды. Перидотиты сильно выветрелые. Песчаники с глинистым цементом
XI	Алевролиты с включением кварца. Амфиболиты выветрелые. Аргиллиты плотные. Березиты выветрелые. Бокситы слабо уплотненные. Брекчии джаспероидно-кварцевые и роговиковые кварцевые, в значительной степени раздробленные. Гнейсы биотитовые и пироксеновые разрушенные. Сильно выветрелые: гранодиориты, диабазы. Дуниты выветрелые. Руды гематитовые и мартитовые. Змеевики выветрелые. Известняки крупнозернистые мраморизованные доломитизированные. Кварциты выветрелые, минерализованные. Колчеданные руды выветрелые. Марганцевые руды крупнозернистые. Перидотиты выветрелые. Песчаники с известковым цементом. Роговики выщелоченные железистые. Сланцы известково-хлоритовые, известково-глинистые, серицитовые и кварцево-серицитовые, амфиболовые, плотные глинистые. Сульфидные свинцово-цинковые руды. Медно-никелевые руды. Туфы альбитофировые. Фаллиты неокварцованные	5–6

Продолжение табл. 17


XII	Выветрелые андезиты. Апатито-нефелиновая руда. Аргиллиты весьма плотные. Ангидриты. Базальты, затронутые выветриванием. Березиты слабо выветрелые. Бокситы плотные. Выветрелые: габбро, гнейсы, граниты, диабазы. Диориты выветрелые крупнозернистые. Доломиты плотные. Дуниты сильно серпентизированные. Змеевики неизмененные. Известняки среднезернистые плотные, доломитизированные. Кварцево-карбонатные породы. Кварцево-турмалиновые выветрелые породы и кварцевые жильные породы с преобладанием сульфидов. Кварциты слабо выветрелые минерализованные. Медноколчеданные руды. Конгломераты с галькой из изверженных пород с известковым цементом. Липариты сильно выветрелые. Песчаники аркозовые медистые. Полиметаллические руды среднезернистые. Порфиры сильно выветрелые кварцевые. Роговики пироксен-плагиоклазовые. Выветрелые: сиениты, скарны. Сланцы бескварцевые: хлоритовые, хлорито-серицитовые, крепкие глинистые. Фосфориты пластовые. Слабые хромитовые руды в серпентинитах	6–7
XIII	Амфиболиты среднезернистые. Андезиты крупнозернистые выветрелые. Слабо выветрелые: граниты, гранодиориты, диабазы. Диориты выветрелые среднезернистые. Железные руды магнетитовые крупнозернистые и мартитовые плотные. Змеевики плотные. Известняки мелкозернистые доломитизированные и слабо скарнированные. Кварциты крупнозернистые выветрелые. Кератофиры оруденелые кварцевые. Колчедан медный. Липариты выветрелые крупнозернистые. Магнезиты мелкокристаллические. Мончикиты выветрелые. Руды пентландитовые и пирротиновые медно-никелевые. Песчаники медистые мелкозернистые с известково-кремнистым цементом. Пироксениты оруденелые. Руды полиметаллические с кварцем. Порфиры выветрелые крупнозернистые кварцевые. Роговики оруденелые баритоносные. Сиениты выветрелые крупнозернистые. Сидериты неизмененные. Руды сульфидные массивные. Хромитовые руды в серпентинитах	8–9
XIV	Андезиты среднезернистые выветрелые. Березиты плотные. Габбро измененные. Крупнозернистые: гнейсы, граниты, гранодиориты. Джаспероиды дробленые и интенсивно трещиноватые. Диабазы крупнозернистые. Руды крупнозернистые магнетито-гематитовые. Змеевики весьма плотные. Известняки тонкозернистые, баритизированные плотные и доломитизированные очень плотные. Кварцевые золотоносные жилы с большим содержанием сульфидов. Кварциты трещиноватые минерализованные. Липариты выветрелые среднезернистые. Магнезиты окварцованные. Меднопорфировые крупнозернистые руды. Опоки кремнистые. Пегматиты слюдистые оловосодержащие. Перидотиты слабо выветрелые. Песчаники плотные среднезернистые. Пироксениты измененные. Порфиры выветрелые среднезернистые кварцевые. Роговики оруденелые. Сиениты среднезернистые. Скарны слабо выветрелые. Сланцы окварцованные глинистые, углисто-глинистые, хлоритовые, серицитовые крепкие глинистые, песчанистые, филлиты. Сульфидно-магнетитовые руды. Титано-магнетитовые руды крупнозернистые. Туфопесчаники. Плотные хромитовые руды в серпентинитах	9–10

Продолжение табл. 17


XV	Альбитофиры неизмененные. Амфиболиты мелкозернистые. Березитовые окварцованные золотосодержащие. Среднезернистые: граниты, гранодиориты. Джаспероиды трещиноватые. Джеспилиты, затронутые выветриванием. Диабазы среднезернистые. Доломиты окварцованные. Руды рассланцованные магнетитовые, гематитовые и окремненные бурые железняки. Мраморы. Кварц жильный трещиноватый. Кератофиры неизмененные. Колчедан окварцованный. Конгломераты из галек изверженных пород с кремнистым цементом. Руды браунит-псиломелановые. Мончикиты, не затронутые выветриванием. Пироксениты оловосодержащие. Руды полиметаллические мелкозернистые с преобладанием пирита. Гранитпорфиры весьма плотные мелкозернистые кварцевые. Руды свинцово-цинковые сурьмяные с прожилками кварца. Скарны с оруденением. Сланцы аспидные. Туфы порфированные. Туффиты известковые пористые. Туфобрекчии альбитофиров. Филлиты	11–12
	XVI	Альбитофиры кварцевые. Базальты пористые. Габбро среднезернистые. Габбро-амфиболиты. Среднезернистые гнейсы. Диориты с включением рудных минералов. Дуниты среднезернистые. Магнетитовые руды с включением скарновых минералов. Известняки сильно окварцованные. Кварцево-турмалиновые породы с небольшим содержанием сульфидов. Кварциты вторичные и с прослойками железной руды. Кварциты мелкозернистые. Липариты мелкозернистые. Руды браунитовые. Перидотиты среднезернистые Песчаники кремнистые. Порфиры среднезернистые кварцевые. Порфириты среднезернистые. Роговики гидрогематитовые. Сидериты окремненные. Скарны гранато-пироксеновые. Фосфориты окремненные. Хромитовые руды мелкозернистые	13–15
	XVII	Альбитофиры плотные кварцевые. Базальты мелкозернистые. Мелкозернистые: габбро, граниты, гранодиориты. Грейзены среднезернистые. Джаспероиды сильно окремненные. Джеспилиты плотные. Диабазы мелкозернистые. Диориты окварцованные. Дуниты плотные. Руды мелкозернистые магнетито-гематитовые. Змеевики окремненные. Известняки кремнистые. Кварц жильный без сульфидов. Микрокварциты с сульфидами. Колчеданы тонкозернистые окварцованные. Пегматиты слабые. Песчаники кремнистые плотные. Порфиры очень плотные кварцевые. Роговики с кварцевотурмалиновыми прожилками. Сиениты плотные и нефелиновые. Скарны датолитогеден-бергитовые. Сланцы кремнистые. Трахиты среднезернистые. Яшмы плотные	16–17
	XVIII	Андезиты плотные. Базальты мелкозернистые. Гнейсы биотитовые, биотит-гранатовые и пироксеновые окварцованные. Мелкозернистые диориты. Кварцевые брекчии с кварцевым цементом. Микрокварциты с прожилками кварца. Кератофиры мелкозернистые. Песчаники плотные кварцитовидные. Сиенитпорфиры. Порфиры кварцевые. Порфиры мелкозернистые весьма плотные. Роговики железистые. Сиениты весьма плотные мелкозернистые. Скарны мелкозернистые. Сланцы яшмовидные кремнистые. Титаномагнетитовые руды мелкозернистые. Трахиты мелкозернистые весьма плотные. Яшмы весьма плотные	17–18

Окончание табл. 17


	XIX	Альбитофиры сильно окварцованные мелкозернистые. Весьма плотные: андезиты, базальты. Микрограниты. Джеспилиты очень плотные. Весьма плотные: диабазы, диориты. Руды плотные гематитовые, микрокварциты неизмененные. Колчеданные мелкозернистые сильно окварцованные брекчиевидные руды. Песчаники неизмененные кварцитовидные. Порфириты весьма плотные, совершенно не затронутые выветриванием. Роговики весьма плотные железистые. Скарны окремненные. Титано-магнетитовые руды весьма плотные. Яшмы неизмененные
>300	XX	Неизмененные сливные: андезиты, джеспилиты. Базальты. Железные руды неизмененные гематитосливные. Кварц сливной. Кремень. Микрокварциты очень плотные сливные. Роговики магнетито-роговообманковые магнетитовые. Скарны интенсивно окремненные. Титано-магнетитовые неизмененные – сливные руды. Яшмы в высшей степени плотные – сливные

Единая классификация горных пород по буримости для формирования горно-проходческих работ приведена в работе [29].

Горные породы I−III категорий не в мерзлом состоянии разрабатываются с помощью экскаваторов, бульдозеров, скреперов, отбойных молотков, мотобуров, мотоперфораторов, кайл, ломов, лопат; мерзлые породы I−III категории разрабатываются после их предварительного рыхления теми же механизмами.

Рыхлить можно механическим или взрывным способом. Шпуры бурят пневмо- или электросверлами. Породы IV−IX (иногда XII) категорий разрабатываются с применением буровзрывных работ при бурении шпуров пневмо- или электросверлами, легкими пневматическими бурильными машинами (перфораторами); породы IX (ХII)−ХХ категорий – с применением буровзрывных работ при бурении шпуров перфораторами.

Сопоставление единой классификации горных пород и коэффициента крепости дано в табл. 18.

Таблица 18

Наименование классификации	Категория пород
Категория пород по ЕНВ, 1969 г. Коэффициент крепости пород по шкале проф. М.М. Протодьяконова	V	VI–Х 4–5	ХI–ХII 6–8	XIII–XIV 8–10	ХV 12–15	ХVI−ХVII	ХVIII	ХIX−ХХ