> Библиотека > Бурение скважин > Классификация горных пород
Классификация горных пород по крепости и буримости
|
В основу этой классификации положена мысль о том, что сопротивляемость горной породы любым видам разрушения (бурению различными способами, взрыванию и т.п.).
Крепость горной породы есть комплексная характеристика породы, определяемая целым рядом ее физико-механических свойств, оказывающих влияние на процесс ее разрушения при бурении. Крепость горной породы есть величина постоянная, не зависящая от способа бурения.
Ориентировочно коэффициент крепости I может быть принят равным 0,01 от предела прочности горной породы при одноосном сжатии (I = 0,01 осж).
Буримость породы - это величина углубки скважины за единицу времени чистого бурения (механическая скорость бурения). Она оценивается в м/ч, см/мин, мм/мин.
Буримость пород устанавливается опытным путем для определенных горных пород и породоразрушающих инструментов при рациональных режимах бурений. Так как при различных способах бурения механизм разрушения горных пород различен, то и буримость одной и той же породы при различных способах бурения будет различной. Буримость породы характеризуется следующими показателями: механической скоростью бурения, величиной проходки до допустимого износа породоразрушающего инструмента, затратой времени на проходку 1 м скважины. Эти величины зависят не только от свойств породы, но и от вида и конструкции породоразрушающего инструмента и параметров режима бурения. По мере усовершенствования породоразрушающих инструментов и технологических параметров «буримость» пород повышается.
В настоящее время существует большое количество шкал буримости пород различными породоразрушающими инструментами и различными способами. Эти шкалы не увязаны друг с другом.
Горные породы по буримости для вращательного колонкового бурения разделены на двенадцать категорий х. Критерием отнесения породы к той или иной категории буримости является углубка скважины за 1 ч чистого бурения при определенных условиях (тип и диаметр буровой коронки, глубина скважины и т. д.). При отклонениях от установленных (стандартных) условий вводятся поправочные коэффициенты.
По пластичности Л. А. Шрейнер разделил породы на шесть категорий.
Объемное разрушение происходит, когда на контакте резцов (зубков) породоразрушающего инструмента с породой возникает напряжение, превосходящее твердость породы на вдавливание (критическое напряжение):
При бурении разрушается не только порода; одновременно происходит износ (затупление) резцов. В этом случае разрушение породы при бурении будет происходить только вследствие сил трения, возникающих на контакте лезвий с породой. Этот вид разрушения неэффективен.
Классификация горных пород для механического вращательного бурения скважин
|
Характерные породы для каждой категории |
|
|
Торф и растительный слой без корней; рыхлые лесс, пески (не плывуны), супеси без гальки и щебня; ил влажный и иловатые грунты; суглинки лессовидные; трепел: мел слабый. |
|
|
Торф и растительный слой с корнями или с небольшой примесью мелкой (до 3 см) гальки и щебня; супеси и суглинки с примесью до 20% мелкой (до 3 см) гальки или щебня; пески плотные; суглинок плотный; лёсс; мергель рыхлый; плывун без напора; лёд; глины средней плотности (ленточные и пластичные); мел; диатомит; сажи; каменная соль (галит); нацело каолинизированные продукты выветривания изверженных и метаморфизованных пород; железная руда охристая. |
|
|
Суглинки и супеси с примесью свыше 20% мелкой (до 3 см) гальки или щебня; лесе плотный; дресва; плывун напорный; глины с частыми прослоями (до 5см) слабосцементированных песчаников и мергелей, плотные, мергелистые, загипсованные, песчанистые; алевролиты глинистые слабосцементированные; песчаники, слабосцементированные глинистым и иэвестковистым цементом; мергель; известняк-ракушечник; мел плотный; магнезит; гипс тонкокристаллический, выветрелый; каменный уголь слабый; бурый уголь; сланцы тальковые, разрушенные всех разновидностей; марганцевая руда; железная руда окисленная, рыхлая; бокситы глинистые. |
|
|
Галечник, состоящий из мелких галек осадочных пород; мерзлые водоносные пески, ил, торф; алевролиты плотные глинистые; песчаники глинистые; мергель плотный; неплотные известняки и доломиты; магнезит плотный; пористые известняки, туфы; опоки глинистые; гипс кристаллический; ангидрит; калийные соли; каменный уголь средней твердости; бурый уголь крепкий; каолин (первичный); сланцы глинистые, песчано-глинистые, горючие, углистые, алевролитовые; серпентиниты (змеевики) сильновыветрелые и оталькованные; неплотные скарны хлоритового и амфибол-слюдистого состава; апатит кристаллический; сильновыветрелые дуниты, перидотиты; кимберлиты, затронутые выветриванием; мартитовые и им подобные руды, сильновыветрелые; железная руда мягкая вязкая; бокситы. |
|
|
Галечно-щебенистые грунты; галечник мерзлый, связанный глинистым или песчано-глинистым материалом с ледяными прослойками; мерзлые: песок крупнозернистый и дресва, ил плотный, глины песчанистые, песчаники на известковистом и железистом цементе; алевролиты; аргиллиты; глины аргиллитоподобные, весьма плотные, плотные сильнопесчанистые; конгломерат осадочных пород на песчано-глинистом или другом пористом цементе; известняки; мрамор; доломиты мергелистые; ангидрит весьма плотный; опоки пористые выветрелые; каменный уголь твердый; антрацит, фосфориты желваковые; сланцы глинисто-слюдяные, слюдяные, тальково-хлоритовые, хлоритовые, хлорито-глинистые, серицитовые; серпентиниты (змеевики); выветрелые альбитофиры, кератофиры; туфы серпентинизированные вулканические; дуниты, затронутые выветриванием; кимберлиты брекчиевидные; мартитовые и им подобные руды, неплотные. |
|
|
Ангидриты плотные, загрязненные туфогенным материалом; глины плотные мерзлые; глины плотные с прослоями доломита и сидеритов; конгломерат осадочных пород на известковистом цементе; песчаники полевошпатовые, кварцево-известковистые; алевролиты с включением кварца; известняки плотные доломитизированные, скарнированные; доломиты плотные; опоки; сланцы глинистые, кварцево-серицитовые, кварцево-слюдяные, кварцево-хлоритовые, кварцево-хлорито-серицитовые, кровельные; хлоритизированные и рассланцованные альбитофиры, кератофиры, порфириты; габбро; аргиллиты, слабоокремненные; дуниты, не затронутые выветриванием; перидотиты, затронутые выветриванием; амфиболиты; пироксениты крупнокристаллические; тальково-карбонатные породы; апатиты, скарны эпидото-кальцитовые; колчедан сыпучий; бурые железняки ноздреватые; гематито-мартитовые руды; сидериты. |
|
|
Аргиллиты окремненные; галечник изверженных и метаморфических пород (речник); щебень мелкий без валунов; конгломераты с галькой (до 50%) изверженных пород на песчано-глинистом цементе; конгломераты осадочных пород на кремнистом цементе; песчаники кварцевые; доломиты весьма плотные; окварцованные полевошпатовые песчаники, известняки; каолин агальматолитовый; опоки крепкие плотные; фосфоритовая плита; сланцы слабоокремненные; амфибол-магнетитовые, куммингтонитовые, роговообманковые, хлорито-роговообманковые; слаборассланцованные альбитофиры, кератофиры, порфиры, порфириты, диабазовые туфы; затронутые выветриванием: порфиры, порфириты; крупно- и среднезернистые, затронутые выветриванием граниты, сиениты, диориты, габбро и другие изверженные породы; пироксениты, пироксениты рудные; кимберлиты базальтовидные; скарны кальцитосодержащие авгито-гранатовые; кварцы пористые (трещиноватые, ноздреватые, охристые); бурые железняки ноздреватые пористые; хромиты; сульфидные руды; мартито-сидеритовые и гематитовые руды; амфибол-магнетитовые руды. |
|
|
Аргиллиты кремнистые; конгломераты изверженных пород на известковистом цементе; доломиты окварцованные; окремненные известняки и доломиты; фосфориты плотные пластовые; сланцы окремненные: кварцево-хлоритовые, кварцево-сери-цитовые, кварцево-хлорито-эпидотовые, слюдяные; гнейсы; среднезернистые альбитофиры и кератофиры; базальты выветрелые; диабазы; порфиры и порфириты; андезиты; диориты, не затронутые выветриванием; лабрадориты; перидотиты; мелкозернистые, затронутые выветриванием граниты, сиениты, габбро; затронутые выветриванием гранито-гнейсы, пегматиты, кварцево-турмалиновые породы; скарны крупно- и среднезернистые кристаллические авгито-гранатовые, авгито-эпидотовые; эпидозиты; кварцево-карбонатные и кварцево-баритовые породы; бурые железняки пористые; гидрогематитовые руды плотные; кварциты гематитовые, магнетитовые; колчедан плотный; бокситы диаспоровые. |
|
|
Базальты, не затронутые выветриванием; конгломераты изверженных пород на кремнистом цементе; известняки карстовые; кремнистые песчаники, известняки; доломиты кремнистые; фосфориты пластовые окремненные; сланцы кремнистые; кварциты магнетитовые и гематитовые тонкополосчатые, плотные мартито-магнетитовые; роговики амфибол-магнетитовые и сирицитизированные; альбитофиры и кератофиры; трахиты; порфиры окварцованные; диабазы тонкокристаллические; туфы окремненные; ороговикованные; затронутые выветриванием липариты, микрограннты; крупно- и среднезернистые граниты, гранито-гнейсы, гранодиориты; сиениты; габбро-нориты; пегматиты; березиты; скарны мелкокристаллические авгито-эпидото-гранатовые; датолито-гранато-геденбергитовые; скарны крупнозернистые, гранатовые; окварцованные амфиболит, колчедан; кварцево-турмалиновые породы, не затронутые выветриванием; бурые железняки плотные; кварцы со значительным количеством колчедана; бариты плотные. |
|
|
Валунно-галечные отложения изверженных и метаморфизованных пород; песчаники кварцевые сливные; джеспилиты; затронутые выветриванием, фосфатно-кремнистые породы; кварциты неравномернозернистые; роговики с вкрапленностью сульфидов; кварцевые альбитофиры и кератофиры; липариты; мелкозернистые граниты, гранито-гнейсы и гранодиориты; микрограниты; пегматиты плотные, сильно кварцевые; скарны мелкозернистые гранатовые, датолито-гранатовые; магнетитовые и мартитовые руды, плотные, с прослойками роговиков; бурые железняки окремненные; кварц жильный; порфириты сильно окварцованные и ороговикованные. |
|
|
Альбитофиры тонкозернистые, ороговикованные; джеспилиты, не затронутые выветриванием; сланцы яшмовидные кремнистые; кварциты; роговики железистые, очень твердые; кварц плотный; корундовые породы; джеспилиты гематито-мартитовые и гематито-магнетитовые. |
|
|
Совершенно не затронутые выветриванием монолито-сливные джеспилиты, кремень, яшмы, роговики, кварциты, эгириновые и корундовые породы. |
Классификация характерных представителей горных пород по буримости при шнековом бурении
|
Характерные представители горных пород для каждой категории |
|
|
Растительный слой и торф с небольшой примесью гальки и гравия, иловатые грунты. Лессовидные рыхлые суглинки, рыхлый лесс, трепел. |
|
|
Рыхлые пески и песчано-глинистые грунты с примесью (до 10%) мелкой гальки и гравия. Глины ленточные, пластичные, песчаные. Диатомит. Сажи. |
|
|
Песчано-глинистые грунты с примесью (10-30%) мелкой гальки, щебня и гравия. Рыхлые мергели, плотные глины и суглинки, слежавшийся лесс, мел слабый. Сухие пески, уголь бурый, плывуны. |
|
|
Песчано-глинистые грунты со значительной (свыше 30%) примесью гальки и щебня. Плотные вязкие глины, валунные глины, каолин. Пористый известняк-ракушечник, плотный мел, гипс, бокситы, ангидрит, фосфориты, опока, каменная соль, каменный уголь. Мерзлые грунты; песок, ил, торф, суглинки. |
|
|
Мерзлые глины аргиллитоподобные, весьма плотные, глинистый песчаник плотный; крупнозернистый песчаник с примесью галечника. Плотный ил и дресна с ледяными прослоями. Лед. |
|
|
Мерзлые: галечники, связанные глинистыми или песчано-глинистыми материалами; плотные глины с включением доломитов и сидеритов; глины плотные. Валунно-галечные отложения. |
Классификация горных пород по буримости для ударно-канатного бурения при разведке россыпных месторождений
|
Растительный слой и рыхлые пески, торф и растительный слой с примесью глины и песка, чернозем нормальной влажности, устойчивые слабосцементированные (неплывунные) пески и рыхлые песчано-глинистые фунты (супеси) без гальки и щебня, рыхлый лёсс; водоносные илы и болотные фунты, не дающие пробки. |
|
|
Несвязанные мелкогалечные и песчано-глинистые фунты, устойчивые пески и супеси, связанные глиной, с небольшой примесью гальки и щебня, не связанные глиной; песчано-глинистые фунты с небольшим количеством гальки и щебня; лёсс, лёссовидные суглинки, каолин; плывуны, дающие пробку и лед. |
|
|
Глинистые и связанные глиной галечные фунты с редкими валунами; крупногалечные и песчано-шебневые грунты, слабосцементированные глиной, плотная сухая или сырая, жирная, вязкая глина, плотные суглинки; рыхлые каолинизированные продукты выветривания изверженных и метаморфизованных пород, каменный уголь, рыхлый мергель, глинистые сланцы, пористые известняки и туфы; сильноразрушенные коренные породы, превращенные в дресву и прочие мелкие продукты выветривания. |
|
|
Плотносцементированные крупногалечные грунты с редкими валунами; крепкий каменный уголь, каменная соль, бокситы, мергель, аргиллиты, опоки, известняк-ракушечник, магнезит, мокрая мягкая железная руда; плотная сухая или жирная вязкая глина (месника) с крупной галькой, щебнем и ребровиком; крупногалечные грунты, сцементированные плотной жирной глиной (месникой); плотные щебенистые грунты, сцементированные глиной, с крупными угловатыми обломками (элювия, валунные глины); разрушенные мелкоразборные (в плотике): песчаники, известняки; глинистые, песчано-глинистые, углистые, слюдистые и известковистые сланцы; плотные мергели; сталькованные и плотные породы с частыми трещинами. |
|
|
Кристаллический гипс, крепкий каменный уголь с включением конкреций колчедана и кремния; доломиты, конгломерат ("запека" или "горелка") с песчано-глинистым веществом между галькой, скрепленной железистым, известковистым и прочим средней крепости цементом; сильновалунистые грунты с содержанием от 20 до 40% крупных (диаметром до 0,3 м) валунов и угловатые, беспорядочно расположенные обломки плотика (ребровики, плиты, глыбы); крупноразборные трещиноватые (в плотике) песчаники; известняки песчано-глинистые, глинистые, углистые, тальковые и слюдистые сланцы и прочие коренные породы средней трещиноватости. |
|
|
Сильновалунистые грунты с содержанием свыше 40% крупных валунов (диаметр до 0,5 м), требующих применения взрывных работ; трещиноватые (в плотике); метаморфические и кристаллические сланцы, изверженные (граниты, диориты, сиениты, габбро и др.) и крепкие осадочные (известняки, доломиты, песчаники, толстослоистые сланцы и др.) породы. |
Классификация горных пород по буримости при ударно-канатном бурении (исключая разведку россыпных месторождений)
|
Горные породы, типичные для каждой категории |
|
|
Торф и растительный слой без корней, рыхлые пески, иловатые породы, болотные фунты, рыхлые песчано-глинистые фунты (супеси) без гальки и щебня, лессовидные суглинки; рыхлый лёсс, трепел. |
|
|
Торф и растительный слой с корнями или с небольшой примесью мелкой гальки и фавия; рыхлые песчано-глинистые фунты с примесью (до 20%) мелкой гальки и фавия; разновидности песков, не вошедших в 1 и Ш категории; глины ленточные, пластичные, песчаные, диатомит, сажи, увлажненный слабый мел. |
|
|
Песчано-глинистые фунты со значительной примесью (свыше 20%) щебня, гравия и мелкой гальки; рыхлые мергели; плотные глины и суглинки, слежавшийся лёсс, мел; сухие пески, лед чистый. |
|
|
Песчано-глинистые фунты со значительной примесью (свыше 20%) щебня, фавия и мелкой гальки; рыхлые мергели; плотные глины и суглинки, слежавшийся лёсс, мел; сухие пески, лед чистый. |
|
|
Мелкий галечник без валунов; аспидные, кровельные, слюдистые сланцы; песчаники на известковистом и железистом цементе; известняки, доломиты, мрамор; аргиллиты, ангидриты и ноздреватые бурые железняки; крепкий каменный уголь; выветрелые изверженные породы: фаниты, сиениты, диориты, габбро и т.п.; конгломераты осадочных пород на известковом цементе; мерзлые фунты: маловодоносные пески и ил, песчанистые глины, плотные влажные глины, галечники, связанные глинистым материалом с ледяными прослойками. |
|
|
Крупный галечник с небольшим количеством мелких валунов; окварцованные сланцы известняки и песчаники; крупнозернистые изверженные породы: фаниты, диориты, сиениты, габбро, гнейсы, порфиры и пегматиты, конгломераты осадочных пород на кремнистом цементе. |
|
| Сделать заказ на геологические изыскания
|
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.
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
| Категория | Степень крепости | Порода | f |
| I | В высшей степени крепкие породы | Наиболее крепкие, плотные и вязкие кварциты и базальты. Исключительные по крепости другие породы. | 20 |
| II | Очень крепкие породы | Очень крепкие гранитовые породы: кварцевый порфир, очень крепкий гранит, кремнистый сланец, менее крепкие, нежели указанные выше кварциты. Самые крепкие песчаники и известняки. | 15 |
| III | Крепкие породы | Гранит (плотный) и гранитовые породы. Очень крепкие песчаники и известняки. Кварцевые рудные жилы. Крепкий конгломерат. Очень крепкие железные руды. | 10 |
| IIІа | То же | Известняки (крепкие). Некрепкий гранит. Крепкие песчаники. Крепкий мрамор, доломит. Колчеданы. Обыкновенный песчаник. | 8 |
| IV | Довольно крепкие породы | Железные руды. Песчанистые сланцы. | 6 |
| IV | То же | Сланцевые песчаники | 5 |
| V | Средние породы | Крепкий глинистый сланец. Некрепкий глинистый сланец и известняк, мягкий конгломерат | 4 |
| Разнообразные сланцы(некрепкие). Плотный мергель | 3 | ||
| VI | Довольно мягкие породы | Мягкий сланец, очень мягкий известняк, мел, каменная соль, гипс. Мерзлый грунт: антрацит. Обыкновенный мергель. Разрушенный песчаник, сцементированная галька и хрящ, каменистый грунт | 2 |
| VIa | То же | Крепкий каменный уголь | 1,5 |
| VII | Мягкие породы | Глина (плотная). Мягкий каменный уголь, крепкий наносо-глинистый грунт | 1 |
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
| Категория | Степень крепости | Порода | f |
| I | В высшей степени крепкие породы | Наиболее крепкие, плотные и вязкие кварциты и базальты. Исключительные по крепости другие породы. | |
| II | Очень крепкие породы | Очень крепкие гранитоподобные породы: кварцевый порфир, очень крепкий гранит, кремнистый сланец, менее крепкие, нежели указанные выше кварциты. Самые крепкие песчаники и известняки. | |
| III | Крепкие породы | Гранит (плотный) и гранитовые породы. Очень крепкие песчаники и известняки. Кварцевые рудные жилы. Крепкий конгломерат. Очень крепкие железные руды. | |
| IIІа | То же | Известняки (крепкие). Некрепкий гранит. Крепкие песчаники. Крепкий мрамор, доломит. Колчеданы. Обыкновенный песчаник. | |
| IV | Довольно крепкие породы | Железные руды. Песчанистые сланцы. | |
| IV | То же | Сланцевые песчаники | |
| V | Средние породы | Крепкий глинистый сланец. Некрепкий глинистый сланец и известняк, мягкий конгломерат | |
| Va | Разнообразные сланцы(некрепкие). Плотный мергель | ||
| VI | Довольно мягкие породы | Мягкий сланец, очень мягкий известняк, мел, каменная соль, гипс. Мерзлый грунт: антрацит. Обыкновенный мергель. Разрушенный песчаник, сцементированная галька и хрящ, каменистый грунт | |
| VIa | То же | Крепкий каменный уголь | 1,5 |
| VII | Мягкие породы | Глина (плотная). Мягкий каменный уголь, крепкий наносо-глинистый грунт |
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. Протодьяконов разработал шкалу коэффициента крепости породы. В Советском Союзе и затем в России шкала крепости М.М. Протодьяконова 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:
f кр = 0.1*σ сж
где σ сж - предел прочности на одноосное сжатие [МПа].