Определение крепости горных пород. Коэффициент крепости горной породы по шкале проф

Проблема аналитического определения горного давления, действующего на конструкции подземных сооружений, исключительно сложна вследствие многообразия природных и производственных факторов, влияющих на его величину и характер распределения. Существует много различных теорий горного давления, основанных на весьма разнообразных предпосылках и поэтому дающих удовлетворительные результаты в весьма узких пределах, соответствующих законности этих предпосылок.

Наибольшее значение для практики имеют теории, базирующиеся на предположении об образовании над выработкой свода естественного равновесия в соответствии с описанным выше процессом изменения напряженного состояния вокруг выработки.

Вертикальное горное давление создается весом вывала породы, отделившегося от этого свода.

В практике проектирования в Советском Союзе распространена теория проф. М.М. Протодьяконова, предложенная им для широкого диапазона пород — от слабых до крепких скальных. В качестве объединяющей их характеристики в этой теории принят коэффициент f крепости, являющийся кажущимся коэффициентом трения, т.е. тангенсом угла внутреннего трения, определенного с учетом сцепления с между частицами породы. Кажущийся коэффициент трения равен отношению касательного τ и нормального σ напряжений на контакте между частицами породы в момент предельного равновесия, т.е.

,

где φ — действительный угол внутреннего трения породы.

Из рассмотрения общего выражения для f (для связных пород) можно сделать вывод, что в сыпучих породах (с = 0) он равен tgφ .

В скальных породах истинное сцепление с определяется силами молекулярного сцепления. В этом случае проф. М.М. Протодьяконов рекомендует определять коэффициент крепости породы в зависимости от ее кубиковой прочности R (кгс/см 2) на раздробление:

На основании наблюдений за поведением крепей и обобщения обширного опыта проведения горных выработок проф. М.М. Протодьяконовым предложена классификация пород по крепости (см. СНиП III-Д.8-62). В сокращенном виде эта классификация приведена в табл. 4. В соответствии с ней породы делятся на десять категорий (от I до X), для которых коэффициент крепости изменяется от 20 до 0,1.

Таблица 4

Характеристика пород (по М. М. Протодьяконову)

Принятие в качестве универсальной характеристики коэффициента f крепости породы эквивалентно отождествлению всех пород с сыпучими телами, имеющими условный угол внутреннего трения

Arctg f .

В сыпучих телах в стенах выработки образуются плоскости сползания, наклоненные под углом (45° — ) к вертикали (рис. 35). Вследствие этого расширяется зона нарушения окружающих выработку горных пород. На уровне верха обделки пролет этой зоны

,

где b — пролет выработки с учетом перебора, принимаемого в зависимости от метода разработки породы в пределах от 5 до 15 см с каждой стороны выработки (большие значения перебора соответствуют применению взрывного способа работ);

h — высота выработки.

Над выработкой и призмами сползания образуется вывал, верхняя граница которого носит название свода давления.

Выше свода давления находится несущий свод, прочность которого должна быть достаточной для того, чтобы выдержать давление вышележащих более слабых пород.

Свод давления (см. рис. 35), рассматриваемый как тонкая арка, составленная из частиц сыпучего тела, может находиться в равновесии под действием вертикальной нагрузки р , принимаемой равномерно распределенной, при совпадении кривой давления с осью свода. Очевидно, что при принятой нагрузке свод давления должен быть очерчен по квадратной параболе.

Рис. 35.

Условием работы свода на центральное сжатие являются уравнения:

ΣM A = 0;

.

.

Условием устойчивости пят свода от сдвига служит неравенство

Если ввести величину запаса устойчивости пят свода Δ = τh 1 пропорциональную высоте свода давления, получим:

;

.

Высота свода давления, образующегося над выработкой, определяется из условия максимума запаса устойчивости пят свода, чему соответствует равенство

.

Отсюда высота свода давления

Исследуя вторую произвольную при , нетрудно убедиться, что , т.е. полученная высота свода давления действительно соответствует максимуму Δ .

Интенсивность q вертикального горного давления по теории М.М. Протодьяконова определяется как произведение ординаты квадратной параболы на объемный вес пород, т.е.

q = γ(h 1 - y ) .

Как видно из приведенного вывода, формула (10) дает значение высоты свода давления, образующегося над незакрепленной выработкой и, следовательно, максимальную интенсивность горного давления, соответствующую гипотезе сводообразования. К недостаткам формулы проф. М.М. Протодьяконова относятся: прямолинейная зависимость высоты свода от пролета выработки, тогда как в действительности в малых выработках давление падает быстрее уменьшения пролета; невозможность применения формулы в неоднородных напластованиях; трудность количественной оценки коэффициента крепости породы, который должен приниматься с учетом степени трещиноватости и обводненности породы.

Шкала Протодьяконова

Шкала́ Протодья́конова - шкала коэффициента крепости горной породы. Разработана в нач. 20 в. Протодьяконовым М.М . Является одной из первых классификаций пород. Основывается на измерении трудоемкости их разрушения при добывании.

Коэффициент крепости f по шкале проф. М.М. Протодьяконова

Таблица 1. Коэффициент крепости f по шкале проф. М.М. Протодьяконова Примечание. Характеристика пород с Y11a до Х категорий опущена.

Протодьяконов предполагал положить подобную классификацию в основу оценки труда рабочего при добыче угля и руд, нормирования труда. Он полагал, что при любом методе разрушения породы и способе её добычи, возможно оценить породу по усредненному коэффициенту добываемости. Если один из двух типов пород более трудоемок при разрушении, например, энергией взрыва, то порода будет более крепкой при любом процессе её разрушения, например, зубком комбайна, кайлом, лезвием головки бура при бурении и т.д.

При разработке подобной шкалы М.М. Протодьяконов ввел понятие крепость горной породы. В отличие от принятого понятия прочность материала, оцениваемой по одному из видов напряженного её состояния, например, временном сопротивлении на сжатие, на растяжение, на кручение и т.д., параметр крепость позволяет сравнивать горные породы по трудоемкости разрушения, по добываемости. Он полагал, что с помощью этого параметра возможно оценить совокупность действующих при разрушении породы различных по характеру напряжений, как это имеет место, например, при разрушении взрывом.

М.М. Протодьяконова разработал шкалу коэффициента крепости породы. Одним из методов определения этого коэффициента было предложено испытание образца породы на его прочность на сжатие в кг/см2, а значение коэффициента определялось как одна сотая временного сопротивления на сжатие.

Этот метод достаточно хорошо коррелирует со шкалой крепости, предложенной М.М.Протодьяконовым для пород различной крепости угольной формации, пород средней крепости, но мало пригоден при определении этим методом коэффициента крепости очень крепких пород. Шкала крепости ограничивается коэффициентом 20, т.е. породами с временным сопротивлении на сжатие 200 кг/см2, а у сливного базальта, например, этот параметр равен 300 кг/см2. Тем не менее, в Советском Союзе шкала крепости М.М. Протодьконова имела широкое применение при оценке трудоемкости разрушения горной породы и используется до настоящего времени. Она удобна для относительной оценки крепости горной породы при ее разрушении при помощи буровзрывных работ.

Метод относительной оценки горной породы по крепости, трудоемкости при её разрушении имеет, как отмечалось многими, недостатки, за рубежом им не пользуются, но без него не обходятся в технической литературе Советского Союза и России.

Коэффициент крепости пород по М.М.Протодьяконову в системе СИ рассчитывается по формуле:

Fкр = 0.1σсж

где σсж - предел прочности на одноосное сжатие [МПа].

Ссылки

• Лыхин П.А. Тоннелестроение и бурение шпуров (скважин) В XIX И XX веках

• М. М. Протодьяконов на сайте Всероссийское генеалогическое древо

Wikimedia Foundation . 2010 .

Смотреть что такое "Шкала Протодьяконова" в других словарях:

- (минералогическая шкала твёрдости) набор эталонных минералов для определения относительной твёрдости методом царапания. В качестве эталонов приняты 10 минералов, расположенных в порядке возрастающей твёрдости. Предложена в 1811 году… … Википедия

Протодьяконов, Михаил Михайлович Михаил Михайлович Протодьяконов выдающийся российский, советский учёный в области горного дела, профессор, один из создателей Среднеазиатского университета (САГУ) … Википедия

Выдающийся российский, советский учёный в области горного дела, профессор, один из создателей Среднеазиатского университета (САГУ) Дата рождения: 22 сентября (4 октября) 1874 … Википедия

Михаил Михайлович Протодьяконов выдающийся российский, советский учёный в области горного дела, профессор, один из создателей Среднеазиатского университета (САГУ) Дата рождения: 22 сентября (4 октября) 1874 … Википедия

Михаил Михайлович Протодьяконов выдающийся российский, советский учёный в области горного дела, профессор, один из создателей Среднеазиатского университета (САГУ) Дата рождения: 22 сентября (4 октября) 1874 … Википедия

Буримость горной породы способность горной породы сопротивляться проникновению в неё бурового инструмента, или интенсивность образования в породе шпура (скважины) под действием усилий, возникающих при бурении. Буримость породы характеризуют … Википедия

Михаил Михайлович Протодьяконов российский, советский учёный в области горного дела, профессор, один из создателей Среднеазиатского университета (САГУ) Дата р … Википедия

Математика Научные исследования в области математики начали проводиться в России с 18 в., когда членами Петербургской АН стали Л. Эйлер, Д. Бернулли и другие западноевропейские учёные. По замыслу Петра I академики иностранцы… … Большая советская энциклопедия

Сов. ученый в области горного дела. В 1899 окончил Петербург. горный ин т. Через несколько дней после окончания ин та был арестован полицией по обвинению в пропаганде социал демократич. идей. Выпущенный через… … Большая биографическая энциклопедия

Михаил Михайлович Протодьяконов (1874-1930)

Талантливому горному инженеру Михаилу Михайловичу Протодьяконову принадлежат работы, заложившие основы перевода горного искусства на степень науки. Он один из первых в мировой горной науке отказался от описательной качественной характеристики горных пород и выдвинул классификацию крепости горных пород с помощью количественных коэффициентов, характеризующих эту крепость. М. М. Протодьяконов, отказавшись от сложившихся методов чисто опытного подбора рудничной крепи, дал методику аналитического определения её размера. Им впервые разработана теория давления горных пород, открывшая цепь исследований в этом направлении как в России, так и за границей.

Михаил Михайлович Протодьяконов родился 22 сентября 1874 г. в Оренбурге. Отец его в то время заведывал ремесленным училищем. В 1882 г. семья М. М. Протодьяконова переехала на Нижне-Тагильский завод Пермской губернии, где отец его начал работать инспектором народных училищ, а в 1889 г. - в Златоуст. Видимо, здесь, на уральских заводах, пробудилась любовь к технике и к горному делу, которая определила весь дальнейший творческий путь М. М. Протодьяконова. Особенно повлияла на него Уральская горнозаводская выставка в Екатеринбурге, организованная в 80-х годах прошлого века.

Среднее образование М. М. Протодьяконов получил вначале в Екатеринбургской, а затем в Уфимской гимназиях. В 1893 г. он поступил на математическое отделение физико-математического факультета Петербургского университета. Со второго курса М. М. Протодьяконов перешёл в Петербургский горный институт и окончил его в 1899 г. Во время своего пребывания в университете, а затем в институте, он принимал участие в революционном движении рабочего класса. Время окончания М. М. Протодьяконовым института совпало с первыми студенческими забастовками, и через три дня после получения инженерского звания он был арестован и привлечён к дознанию по делу "Союза борьбы за освобождение рабочего класса". После освобождения из-под ареста в конце 1899 г. М. М. Протодьяконов ряд лет оставался под надзором полиции. Возможность поступления на государственную службу или перехода на научную работу была для него исключена.

Практическая работа М. М. Протодьяконова началась на серебро-свинцовых рудниках Терского горнопромышленного общества, где он руководил эксплоатацией рудников и вёл строительство гидротехнических сооружений. Работая на производстве, М. М. Протодьяконов начал публиковать первые свои работы. В 1904 г. в "Горном журнале" появилась статья "Горные речки центральной части Северного Кавказа и некоторые особенности эксплоатации их энергии".

В 1904 г., после снятия политического надзора, М. М. Протодьяконов получил возможность перейти на педагогическую и научную работу; он поступил в Екатеринославское высшее горное училище ассистентом по горному искусству к проф. А. М. Терпигореву. Через год он уехал в научную командировку за границу. В 1908 г. М. М. Протодьяконов защитил в Петербургском горном институте диссертацию "Давление горных пород на рудничную крепь", после чего был избран экстраординарным, а затем ординарным профессором Екатеринославского высшего горного училища.

1908-1914 гг. были периодом большой педагогической и научной работы М. М. Протодьяконова. Он принял участие в создании многотомного капитального труда "Описание Донецкого бассейна". Собрав огромный материал в Донбассе, он пишет для этого издания важные разделы: "Проходка шахт и квершлагов" и "Крепление шахт и квершлагов". Но славу учёного-горняка создали ему прежде всего работы о расчёте рудничной крепи и горном давлении, которые, начиная с 1906 г., непрерывно публикуются в "Записках Екатеринославского технического общества", в "Известиях Екатеринославского высшего горного училища", в "Горнозаводском листке" и в "Горном журнале".

Первое обоснование новых методологических приёмов даётся в работе "О некоторых попытках применения математики к горному искусству". Дальнейшее развитие они нашли в упомянутой выше диссертации, опубликованной под тем же названием в "Горном журнале" за 1909 г. На ряде съездов по горному делу М. М. Протодьяконов выступал с докладами: "О крепости горных пород", "О производительности забойщика по углю", "О давлении сыпучих тел", "О бурении шпуров". Он участвовал в специальной комиссии по обследованию рудников Донецкого бассейна в отношении гремучего газа и пыли.

Творческая работа М. М. Протодьяконова прервалась в 1914 г. в связи с туберкулёзом позвоночника и полупараличом ног. На четыре года он полностью прекратил работу, находясь вначале в Крыму, а затем в Средней Азии.

В 1918 г., несколько оправившись, он вернулся к педагогической и научной деятельности, вёл преподавательскую работу в Средне-азиатском университете и опубликовал ряд капитальных работ по горному давлению, рудничному креплению, проветриванию, нормированию горных работ. Наряду с этим, М. М. Протодьяконов принимал участие в работе основных руководящих и планирующих государственных учреждений горной промышленности.

С 1918 по 1923 г. он заведывал секцией и состоял консультантом ВСНХ; с 1926 г. он работал в Средне-азиатском отделении Геологического комитета, был членом президиума Средне-азиатского Госплана и консультантом треста "Средазуголь". В 1928 г. М. М. Протодьяконова избирают председателем Средне-азиатского бюро инженерно-технической секции. Союза горнорабочих СССР.

Обладая крупными организаторскими способностями, М. М. Протодьяконов в 1919 г. создал курсы десятников в г. Ташкенте и горное отделение технического факультета Средне-азиатского государственного университета. Этот талантливый учёный старался помочь широким массам народа получить образование; он организовал целую сеть курсов для молодых шахтёров. Эти курсы были широко известны среди горняков под названием "протодьяконовских курсов". Он первый оценил и поддержал изобретателя-забойщика Журавлёва, ныне лауреата Сталинской премии, предложившего подземное передвижное металлическое крепление. В 1925 г. Михаил Михайлович Протодьяконов был приглашён профессором в Московскую горную академию для чтения лекций. М. М. Протодьяконов обладал способностью излагать самые сложные теоретические вопросы очень простым языком; его лекции увлекали слушателей, и в аудиториях, где он читал, всегда не хватало мест для желающих его послушать.

Несмотря на мягкость характера, Михаил Михайлович был чрезвычайно требовательным педагогом. Он требовал от студента не только глубоких знаний материала, но и самостоятельного, инициативного решения поставленных вопросов. Глубоко уважая своего учителя, студенты считали для себя позором идти неподготовленными на экзамены к Михаилу Михайловичу.

Михаил Михайлович постоянно был загружен работой, занимавшей у него 14-15 часов в сутки. Даже когда у него отнялись ноги, он, лёжа в постели, не прекращал работу. Но его здоровье прогрессивно ухудшалось, и 5 апреля 1930 г., всего лишь 56 лет, М. М. Протодьяконов скончался.

Центральное место в исследованиях М. М. Протодьяконова занимают вопросы горного давления.

В то время, когда М. М. Протодьяконов начал заниматься этими вопросами, горной науке был известен только чисто эмпирический путь решения вопросов, связанных с горным давлением; опытным путём подбирались необходимые виды и размеры крепления и величины поддерживающих целиков полезного ископаемого. М. М. Протодьяконов поставил целью создать аналитический метод определения величины горного давления, могущий стать основой точного решения сложных вопросов практики.

Зная о невозможности для своего времени во всей глубине познать законы горного давления, М. М. Протодьяконов выдвинул предложение рассматривать горные породы "как состоящие из отдельных кусков, т. е. как тела "несвязные" или до известной степени сыпучие". Он указывал, что такое представление не противоречит действительности, так как горные породы всегда в той или иной степени трещиноваты. Исходя из этого, М. М. Протодьяконов распространил на горные породы свойства несвязанных тел образовывать угол естественного откоса, зависящий от коэффициента трения между частичками несвязанных тел. Это свойство всем хорошо известно. Насыпая, например, песок в кучу, мы, в силу малого коэффициента трения между песчинками, получим небольшой угол естественного откоса этой кучи. Беря более связанные вещества с высоким коэффициентом трения, получим кучу с большим углом естественного откоса. До того момента, пока не достигнут угол естественного откоса, частицы сыпучего тела удерживаются в куче одна на другой силами трения. Эти силы трения в механике горных пород принято условно выражать через так называемый угол внутреннего трения данной сыпучей породы, который в момент предельного равновесия равен углу естественного откоса. Для горных пород, т. е. тел, отчасти связанных между собой, помимо внутреннего трения между частицами, необходимо учитывать возникающие также силы сцепления между ними, увеличивающие коэффициент внутреннего трения. Этот новый - кажущийся - коэффициент трения, названный Протодьяконовым "коэффициентом крепости", является универсальным относительным показателем сопротивляемости горных пород внешним механическим усилиям. Эту сопротивляемость горных пород М. М. Протодьяконов экспериментально проверил в отношении добываемости ручными работами, буримости, взрываемости, устойчивости при обрушении, величины давления на крепь и т. д. "Мы вправе приближённо считать, - указывает М. М. Протодьяконов, - что если какая-нибудь порода крепче другой в некоторое число раз в одном каком-нибудь отношении, например, при бурении, то во столько же раз она будет крепче и во всяком другом отношении, например, при взрывании, в отношении давления на крепь и т. д.".

Проверив экспериментально коэффициент крепости по различным показателям, в некоторых случаях взяв средние от показателей, полученных по разным процессам, оговорив отступление для отдельных процессов, М. М. Протодьяконов впервые дал количественную характеристику горных пород, как основу для аналитических расчётов по различным горным процессам.

Большим научным достижением М. М. Протодьяконова является формулировка гипотезы о давлении горных пород, которая вытекала из его толкования природы горных пород. К тому времени было известно, что горное давление, возникающее в зоне выработок, является результатом давления не всей вообще толщи горных пород до поверхности, а лишь какой-то незначительной части этой толщи. Было известно, что равновесие рыхлых горных пород, нарушенное проведением выработок, восстанавливается через некоторое время, причём кровля приобретает сводообразную форму.

В 1885 г. французский учёный Фейоль, проделав на моделях большое количество опытов для выяснения вопроса влияния горных выработок на окружающую их породу, заметил возникновение свода или купола над выработками. Его работы, не содержавшие никакой математической теории, были чисто эмпирическими и не давали каких-либо количественных результатов. М. М. Протодьяконов поставил перед собой задачу найти не качественную картину явлений в породах при проведении горных выработок, а количественную теорию, "расчётные формулы, удобные для пользования и точные постольку, поскольку это требуется жизнью".

Для понимания законов сдвижения горных пород в зоне выработок он выдвинул гипотезу свода. "Наблюдения показывают, - говорил он,- что, когда выработка проведена под значительной толщей подчас несвязанной породы (например, под закладкой), то в выработке не обрушается вся вышележащая масса, а из кусков, зажатых давлением, образуется сам собой свод "я" (правда, довольно неустойчивый), который поддерживает основную кладку, так что упасть в выработку, а следовательно, и давить на крепь могут лишь куски части "в", внутри этого свода. Таким образом, давление на крепь будет в этом случае непосредственно равно весу объёма "в" пород кровли".

Несмотря на большие достижения в области изучения законов сдвижения горных пород в последующие годы и на появление ряда новых гипотез о законах этого сдвижения, гипотеза свода сохранила своё значение для узких выработок и для некрепких трещиноватых пород.

Исходя из гипотезы свода, М. М. Протодьяконов аналитически определил давление породы на крепь, установив, что "на крепь давит своим весом параболический объём породы, ширина которого равна пролёту выработки, а высота - полупролёту, делённому на коэффициент трения пород кровли".

Установленная аналитическим способом величина давления соответствовала, как это показала практика, действительному давлению на крепь. Так впервые в истории горного дела совершился переход от грубо качественных эмпирических оценок к количественным инженерным расчётам в проблеме горного давления, позволившим более глубоко решать вопросы практики.

Опубликовав в 1909 г. статью М. М. Протодьяконова "Давление горных пород на рудничную крепь", редакция "Горного журнала" снабдила её предисловием с краткой характеристикой взглядов автора. Редакция указывала, что "...до сих пор, как известно, рудничное крепление производилось и производится на чисто эмпирических началах и в большинстве курсов горного искусства, даже и в справочных книгах по горному делу, обыкновенно не приводится никаких формул для расчёта рудничного крепления в зависимости от давления горных пород, а лишь указывается на способы крепления выработок, на материал, употребляемый на крепление, а также даются числовые данные, заимствованные из практики относительно размера, веса и стоимости рудничной крепи".

Большое место в работах М. М. Протодьяконова занимала разработка вопросов проветривания горных выработок. Выход в свет в 1911 г. его труда "Проветривание рудников", выдержавшего за короткий срок пять изданий, был крупным событием в развитии горной науки. М. М. Протодьяконов сумел и в этой относительно разработанной области дать свойственную ему своеобразную трактовку всех вопросов рудничного проветривания. Курс "Проветривание рудников" отличался чрезвычайно простым изложением. Сложные математические выкладки, в отличие от ряда других подобных курсов, там отсутствовали. Но это ни в какой степени не снижало научной значимости книги. В теоретической части книги М. М. Протодьяконову удалось сочетать глубокий научный анализ вопросов проветривания с методикой упрощённых расчётов. В инструктивной части книги дано полное представление о приспособлениях и оборудовании, применяемых при проветривании рудников. Здесь же приведены общие правила проветривания. В отдельной части книги даны описания испытательных станций и способы определения рудничного газа. Красной нитью в этой работе М. М. Протодьяконова проходит мысль о том, что хорошее проветривание рудничных выработок зависит не столько от применяемого оборудования, сколько от повседневного внимания к вопросам вентиляции на руднике.

Ещё в 1909 г. М. М. Протодьяконов занялся вопросами определения производительности рабочих в зависимости от крепости горных пород. Особенно значительные исследования по этим вопросам были проведены под его руководством в начале 20-х годов, результатом чего явилось капитальное исследование, опубликованное в 1926 г. под заглавием "Материалы для урочного положения горных работ".

В этом исследовании изложены результаты десятков тысяч хронометражных наблюдений над отдельными операциями по добыче угля, креплению выработок, подземному транспорту. Все данные обработаны, установлены нормы времени для различных операций. Дана графически и аналитически зависимость норм времени от основных факторов. Методологическое значение этой работы было исключительно велико. Для целого ряда операций выведенные формулы сохранили значение до настоящего времени.

Характерной особенностью исследований М. М. Протодьяконова было стремление найти научное решение не в абстрактных целях, а для того, чтобы на более совершенной основе решать практические вопросы.

Широко применяя в горном деле аналитический метод, он всегда выступал против абстрактных приёмов, не имеющих практического значения. "Точность метода, - говорил он, - должна соответствовать точности данных".

М. М. Протодьяконов предостерегал против переоценки разработанных им приёмов, ясно отдавая себе отчёт в том, как сложны явления, возникающие при добыче полезных ископаемых, и твёрдо веря, что советская наука по мере накопления материалов и усовершенствования методов исследования создаст теории, более полно и глубоко отражающие законы, лежащие в основе горного дела.

Главнейшие труды М. М. Протодьяконова : Горные речки центральной части Северного Кавказа и некоторые особенности эксплоатации их энергии, "Горный журнал", 1904; О некоторых попытках применения математики к горному искусству, "Записки Екатеринославского технического о-ва", Харьков, 1906; Серебро-свинцовые рудники Терского горнопромышленного общества, Сборник технических статей (приложение к "Горнозаводскому листку"), Харьков, 1906; Условия свинцово-рудного дела за границей и сравнение их с русскими, "Известия Екатеринославского высшего горного училища", 1907, вып. 1-й; Давление горных пород на рудничную крепь, "Горный журнал", 1909; Давление горных пород на рудничную крепь (диссертация), "Известия Екатеринославского высшего горного училища", 1908, вып. 1-й; Производительность забойщика по углю, "Горный журнал", 1909; Крепость горных пород с точки зрения горного искусства, "Труды первого всероссийского съезда по горному делу, машиностроению и металлургии", Екатеринослав, 1910; Проветривания рудников, Екатеринослав, 1911; Попытки опытного исследования законов давления пород на горные выработки, "Горный журнал", 1912; Описание Донецкого бассейна, т. I, вып. 1-й; Проходка шахт и квершлагов, Харьков - Екатеринослав, 1914; К вопросу о давлении сыпучих тел, "Горный журнал", 1916; Описание Донецкого бассейна, т. I, вып. 2-й; Крепление шахт и квершлагов, Харьков - Екатеринослав, 1916; Краткий курс горного искусства (литограф), Ташкент, 1921; Материалы для урочного положения горных работ, Рукопись для ЦСНХ, Ташкент, 1922; К вопросу о составлении урочного положения горных работ, "Инженерный труд", 1924; Давление горных пород и рудничное крепление, ч 1; Давление горных пород, Москва, 1930.

О М. М. Протодьяконове : Гендлер Е. С, Профессор Михаил Михайлович Протодьяконов, "Горный журнал", 1931, №4; Терпигорев А. М., Памяти профессора М. М. Протодьяконова, "Уголь", 1930, № 56; "Горный журнал", 1925, № 7;

Зворыкин А. А., Михаил Михайлович Протодьяконов, "Горный журнал", 1946, № 1.

В основу этой классификации положен коэффициент крепости горных пород f , который характеризует прочность гор-
ных пород на раздавливание при одноосном сжатии. При-
нято, что порода с прочностью на раздавливание 100 кгc/см 2 (9,8×10 6 Н/м 2) имеет коэффициент крепости, равный единице. Таким образом, порода, обладающая прочностью, например, 1000 кгс/см 2 (9,8 × 10 7 Н/м 2), имеет коэффициент крепости по классификации проф. М.М. Протодьяконова:

т.е. коэффициент крепости показывает, во сколько раз данная порода крепче другой, крепость которой принята за единицу.

Проф. М.М. Протодьяконов считал, что коэффициент крепости характеризует породу во всех производственных процессах, т.е. если данная порода крепче другой в некоторое количество раз, например, при бурении, то она, как правило, во столько же раз крепче ее и при других производственных процессах, например, при взрывании.

Классификация проф. М.М. Протодьяконова (табл. 1.2) имеет 10 категорий (от I до X), часть из которых разбита на подкатегории (III-VII). Породы самые крепкие относятся к I категории, самые слабые - к Х категории. Каждой группе пород соответствует коэффициент крепости от 0,3 до 20. Эта классификация до настоящего времени на многих горно-добывающих предприятиях стран СНГ применяется для ориентировочной оценки пород, а также при укрупненных проектных и сметных расчетах.

Таблица 1.2

Классификация пород М.М. Протодьяконова

Окончание табл. 1.2

Для оперативного норматирования классификация пород проф. М.М. Протодьяконова непригодна. Для этих целей пользуются классификациями по буримости и взрываемости.

Единая классификация горных пород по буримости

Специальной комиссией при бывш. ИГД АН СССР на основе исследований проф. А.Ф. Суханова разработан проект единой классификации по буримости. Буримость пород в этой классификации характеризуется чистой скоростью бурения шпура при следующих стандартных условиях опыта: тип бурильного молотка ПР-19 (ПР-22); давление сжатого воздуха ¾ 4,5 кгс/см 2 (0,45 МПа); характеристика бурового инструмента: диаметр головки бура ¾ 42 мм; форма лезвия бура ¾ крестовая; угол
заострения лезвия ¾ 90°; длина штанги ¾ 1 м; глубина бурения ¾ до 1 м.

В случае проведения опыта при условиях, отличных от стандартных, вводятся соответствующие поправочные коэффициенты. После определения скорости бурения по классификации находится наиболее близкая величина табличной скорости и порода относится к этому классу. На этом принципе составлено большое количество классификаций для определенных условий рудников, карьеров, бассейнов (табл. 1.3).

Параллельно с созданием классификаций по скорости бурения проводилась классификация пород по энергоемкости бурения для определенных типов буровых машин. Преимущество таких классификаций в том, что энергоемкость позволяет оценить, кроме буримости, эффективность применяемого способа (машины, станка), так как чем меньше энергоемкость, тем более эффективно реализуется процесс разрушения породы и удаления продуктов разрушения с забоя. За меру эффективности принято значение энергоемкости а :

где А ¾ затраты энергии на бурение, А = Nt ; N ¾ потребляемая мощность, кВт; t ¾ время работы машины, станка при выбуривании объема породы V п .

Одна из первых таких классификаций была составлена в
1867 году для бурения скважин на карьерах Колывано-Вос-кресенских заводов (Урал). После широкого распространения для бурения взрывных скважин ударно-канатных станков Я.Б. Зайдманом и П.П. Назаровым в 30-х годах была разработана классификация пород по энергоемкости для этого способа бурения. Проф. И.А. Тангаевым разработана классификация по энергоемкости применительно к шарошечному способу бурения. При этом им показано, что на энергоемкость влияют прочность и трещиноватость пород, т.е. чем более трещиновата порода, тем меньше энергоемкость ее бурения, но тем она легче разрушается при взрыве и более производительно грузится экскаваторами. Таким образом, И.А. Тангаеву удалось по энергоемкости шарошечного бурения оценить взрываемость пород в обуренном объеме блока, чего не удавалось сделать по другим классификационным критериям. Аналогичную информацию о свойствах обуриваемого массива (прочность и трещиноватость) можно получить по чистой скорости бурения при определенных режимах (прочность) и уровню низкочастотных вибраций бурового става (трещинова-тость). Указанная методика разработана в МГИ.

Классификации пород по взрываемости основаны на определении величины удельного расхода определенного ВВ при стандартных условиях взрывания. При этом в результате взрыва порода должна разрушаться на куски определенной крупности.

В настоящее время на многих рудниках и карьерах разработаны местные классификации массивов пород по взрываемости, в основу которых положены свойства массивов: трещиноватость и прочность отдельностей, наиболее существенно влияющие на расчетный удельный расход ВВ. Сравнительный анализ таких классификаций показывает, что в каждой из них имеются легковзрываемые, трудновзрываемые и весьма трудновзрываемые массивы пород. Иногда в классификации вводятся промежуточные классы выше средней взрываемости и т.д. Сравнение одинаковых по характеристике взрываемости массивов показывает, что расчетный удельный расход в них может отличаться в 2 и более раза (например, для трудновзрываемых массивов от 0,42 до 0,850 кг/м 3 и т.д).

Объективное сравнение взрываемости пород по таким «местным» классификациям невозможно. Поэтому МГИ совместно с ВНИИцветметом (авторы Б.Н. Кутузов и В.Ф. Плужников) разработана общая классификация массивов пород по взрываемости для карьеров, исходя из стандартных условий проведения ее оценки. За стандартные условия проведения опытных взрывов приняты: высота уступа 12-15 м, угол откоса 65-70°, диаметр скважин 243-269 мм, ВВ ¾ граммонит 79/21; схема взрывания многорядная, КЗВ с замедлениями по диагоналям, величина перебура 2 м, величина забойки 6 м.

КРЕПОСТЬ горных пород - это совокупность механических свойств горных пород, которые проявляются при проведении разнообразных процессов добычи и переработки полезных ископаемых. Понятие крепость - условное и увеличивается с возрастанием сил связей частиц между собой, отдельностями пород, а так же содержания прочных минералов в породе. При этом она уменьшается обычно при увлажнении.

Михаил Михайлович Протодьяконов (старший) сначала оценивал крепость горных пород, классифицируя их на основе предположения, что породы разрушаются из-за преодоления их прочности на сжатие. Эта классификация использовалась в дальнейшем очень широко. Согласно ей, горные породы делятся на 10 категорий от f=0,3 для слабых плывучих пород, таких как болотистый грунт, разжиженный лёсс и до f=20 для трудноразрушаемых пород, таких как сливные андезиты, джеспиллиты и другие. М.М.Протодьяконов (младший) предложил метод экспериментальной оценки коэффициента крепости, который основан на относительной оценки труда, который затрачивается на дробление пород грузом массой 2,4 кг, который свободно падает с высоты 0,6 м (ГОСТ 21153.1-75).

В настоящее время методы разработки полезных ископаемых предполагают использование сжимающих, скалывающих и растягивающих усилий, которые являются более целесообразными. Крепость же при использовании таких методов для оценки технико-экономических характеристик разделяется на пять классов по пять единиц крепости в каждом (см. таблицу).

Для характеристики крепости в этом случае служит показатель трудности разрушения пород П р:

Пр=5.10-2(s cж + sp + tcдв) + 5.10-5g,

где 5.10-2 — эмпирический коэффициент (МПа-1);

5.10-5 — эмпирический коэффициент (м 3 /Н);

s cж, sp, tcдв — соответственно, пределы прочности на сжатие, растяжение и сдвиг (МПа);

g — объёмный вес (Н/м 3).

Чтобы нормировать и рассчитывать различные машины и механизмы в горном деле используют, в основном, такие критерии, как дробимость, буримость, взрываемость горных пород и т.д.