Шкала Протодьяконова - уникальная разработка российского ученого для оценки крепости горных пород. Она позволяет решать практические задачи горного дела уже более 100 лет.
История создания шкалы Протодьяконова
Михаил Михайлович Протодьяконов (1870-1925) - выдающийся российский инженер-горняк. Он предложил оценивать крепость горных пород единым параметром - коэффициентом крепости (f). Этот подход позволяет учитывать совокупность разных напряжений при разрушении пород, в отличие от измерения простой прочности.
Шкала Протодьяконова была разработана в начале 20 века как основа для нормирования труда при добыче угля и руд. Предполагалось, что при любом способе разрушения породы можно оценить ее крепость и соответственно трудоемкость этого процесса.
- Если одна из двух пород труднее разрушается взрывом, значит она более крепкая.
- Это относится и к другим способам разрушения - отбойным молоткам, бурам и т.д.
Такая оценка позволяет учесть влияние разных напряжений и видов нагрузок, возникающих, к примеру, при взрыве в массиве пород.
Основные понятия и определения
Крепость горной породы - это комплексный показатель, характеризующий сопротивление породы разрушению и характеризующий трудоемкость ее добычи.
Крепость выражается коэффициентом крепости (f), который показывает во сколько раз данная порода крепче или слабее некой условной породы, принятой за единицу. Формула расчета коэффициента крепости по Протодьяконову в системе СИ:
фкр = 0,1σсж
где σсж - предел прочности породы при одноосном сжатии, МПа.
В отличие от простой прочности на сжатие или растяжение, понятие "крепость" позволяет учитывать весь комплекс действующих напряжений, нагрузок и сил, возникающих в массиве горных пород.
Благодаря этому крепость тесно связана с другим важным понятием - добываемостью, которая характеризует трудоемкость разрушения и извлечения породы из массива.
Чем выше крепость, тем выше сопротивление разрушению и трудозатраты на добычу.
Классификация горных пород по шкале Протодьяконова
Классификация горных пород по шкале Протодьяконова
Шкала Протодьяконова делит все горные породы на 10 категорий - от "исключительно крепких" до "плывучих":
- В высшей степени крепкие породы (f = 20)
- Очень крепкие породы (f = 15)
- Крепкие породы (f = 8-10)
- Довольно крепкие породы (f = 6)
- Средней крепости (f = 4)
- Довольно мягкие породы (f = 2)
- Мягкие породы (f = 1)
- Землистые (f = 0,6)
- Сыпучие (f = 0,5)
- Плывучие (f = 0,3)
За f=1 принята крепость породы, которая разрушается при давлении на нее 100 кг/см2.
Примеры конкретных пород:
- Граниты, базальты, кварциты
- Известняки, песчаники, сланцы
- Уголь, глины, наносы
Для сравнения, существует шкала твердости минералов по Моосу от 1 до 10. Ее можно соотнести с категориями пород по Протодьяконову.
Методы определения коэффициента крепости
Один из методов - испытание образцов породы на сжатие. Коэффициент крепости берется как 1/100 от предела прочности на сжатие в кг/см2.
Этот метод хорошо работает для пород средней крепости, но плохо подходит для очень крепких пород. Максимальное значение в шкале Протодьяконова - 20, хотя у базальтов предел прочности может достигать 300 кг/см2.
Другой подход - оценка трудоемкости разрушения породы разными способами - взрывом, резанием, бурением. Сравниваются две породы - более крепкая разрушается сложнее при прочих равных условиях.
Использование шкалы Протодьяконова на практике
Шкала широко применялась в СССР и России для оценки буровзрывных работ при добыче полезных ископаемых. Она позволяет давать относительную количественную характеристику крепости разных типов пород.
Коэффициент крепости используется при изучении процессов резания, дробления, бурения горных пород. Он помогает рассчитывать нормы выработки на добыче угля и руд в зависимости от трудности разрушения вмещающих пород.
Достоинства и недостатки шкалы Протодьяконова
Главное достоинство - простота использования для приближенной оценки крепости пород без сложных лабораторных исследований.
Основной недостаток в том, что оценки носят субъективный характер и сильно зависят от квалификации специалиста.
Интересные факты о шкале Протодьяконова
- Это первая в мире классификация горных пород по крепости
- Наиболее популярная шкала в советской литературе по горному делу
- Развивалась в трудах последователей Протодьяконова
- До сих пор широко применяется в России как эталон
Были попытки модернизировать шкалу Протодьяконова с учетом современных знаний о строении и свойствах горных пород. Однако простота и наглядность оригинальной шкалы проф. М.М. Протодьяконова остаются непревзойденными.
Рекомендации по применению шкалы
При использовании шкалы Протодьяконова важно правильно отбирать репрезентативные образцы пород из недр. Они должны соответствовать строению реального массива.
Следует применять стандартные методики испытаний физико-механических свойств и не допускать субъективизма оценок крепости пород.
Полезно сопоставлять данные по шкале Протодьяконова с результатами других методов оценки прочности и трещиноватости горных пород.
Ограничения шкалы Протодьяконова
Шкала имеет ограниченный диапазон значений коэффициента крепости - от 0,3 до 20. Этого недостаточно для очень мягких и очень крепких пород.
Кроме того, шкала не учитывает анизотропию свойств реальных массивов горных пород, связанную с трещиноватостью и слоистостью.
Перспективы шкалы Протодьяконова
Несмотря на отдельные недостатки, шкала Протодьяконова продолжает оставаться популярным и наглядным инструментом для приблизительной оценки крепости горных пород в горном деле.
Она сохранит свою актуальность и в будущем благодаря простоте использования в полевых условиях добычи полезных ископаемых.
Возможные направления развития шкалы
Для повышения точности можно расширить диапазон значений коэффициента крепости, добавив категории для очень мягких и очень крепких пород.
Также перспективно учесть анизотропию свойств реальных массивов горных пород, связанную с трещиноватостью и слоистостью.
Цифровизация процедур оценки крепости
Современные IT-технологии открывают возможности для автоматизации отбора проб, проведения испытаний и расчетов показателя крепости.
Интеграция со смежными методиками
Перспективно комплексировать шкалу Протодьяконова с другими подходами оценки физико-механических свойств горных пород - измерением скоростей ультразвука, гамма-излучения и т.д.
Применение шкалы за пределами горного дела
Методология шкалы Протодьяконова потенциально применима для оценки прочности и трещиноватости грунтов при строительстве, a также прочности бетонов и строительных материалов.
Популяризация шкалы
Для более широкого применения шкалы целесообразно проводить образовательные мероприятия, готовить справочные материалы, разрабатывать удобные цифровые сервисы.
