Прогноз прочности и устойчивости пород в подземных выработках с учетом изменчивости фрактальных характеристик и свойств массива

Актуальность темы

.

Основой проектирования техники и технологии разработки месторождений полезных ископаемых служит информация о комплексе свойств горных пород и породных массивов. Получение этой информации осуществляется на стадии инженерно-геологических изысканий. При этом ее источником являются два вида исследований — изучение свойств пород по извлекаемым кернам и скважинные исследования массива. Однако зачастую эти данные существуют отдельно без должного анализа их взаимосвязи и взаимообусловленности. Поэтому актуальной научной задачей является совместное изучение закономерностей изменчивости свойств горных пород и массивов на базе статистических методов проверки гипотез, корреляционного и тренд-анализа.

Полученная информация должна быть направлена на решение важнейших задач прогноза устойчивости горных пород в выработках и эффективности разрушения пород в горной технологии. Методам прогнозирования применительно к горному делу посвящено достаточно большое число исследований. Однако единых работоспособных методик до настоящего времени не создано. Это обусловлено крайней неоднородностью свойств и состояния породных массив, исключающей детерминированные оценки и требующие сугубо вероятностного подхода. С другой стороны разработка достаточно надежных методов прогноза и проектирования процессов разрушения пород в горной технологии сдерживается отсутствием единой теории прочности и многообразием точек зрения (теоретических схем) разрушения пород взрывом и механическими инструментами. В этой связи предлагаемые исследования, направленные на прогнозирование прочности и устойчивости горных пород и массивов являются актуальными.

Работа выполнена в рамках исследований по следующей тематике: «Теоретические основы прогноза прочности и устойчивости горных пород в подземных выработках с учетом фрактальных характеристик трещинной структуры» (задание Федерального агентства по образованию, 2011;2013 гг.), а также в рамках реализации ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009 — 2013 годы.

Объект исследований — горные породы и породные массивы, разрабатываемые подземным способом.

Предмет исследований — закономерности изменчивости фрактальных характеристик и свойств пород при оценке прочности и устойчивости породного массива в подземных выработках.

Цель работы — повышение оперативности и надежности прогноза свойств горных пород, прочности и устойчивости породного массива при проектировании разработки месторождений полезных ископаемых.

Основная идея работы заключается в использовании установленных взаимосвязей и закономерностей изменчивости свойств горных пород и массивов с фрактальных позиций для оперативного прогноза их прочности и устойчивости с помощью ультразвуковых исследований.

Задачи исследований:

1. Изучение комплекса свойств горных пород и их взаимосвязей для условий медно-колчеданного месторождения «Юбилейное».

2. Анализ результатов скважинных исследований породного массива с целью прогноза его прочности и степени нарушенности.

3. Совершенствование методов тренд-анализа свойств и состояния горных пород и массивов.

4. Разработка методики прогноза устойчивости подземных выработок с вероятностных позиций и на основе теории информации.

5. Оценка параметров и эффективности процессов разрушения горных пород при проходке выработок.

Методы исследований: современные стандартные методики лабораторного определения свойств горных породанализ результатов скважинных исследований породного массиваметоды проверки статистических гипотез, корреляционного и тренд-анализаоценка результатов с позиций теории информации, инженерной геологии, физики горных пород, геомеханики и фрактальной геометрии.

Защищаемые научные положения:

1. Основой прогноза прочности и разрушаемости горных пород служат установленные соотношения скоростей упругой волны в массиве и образце, учитывающие влияние горного давления на деформационные характеристики пород.

2. Комплексная методика тренд-анализа, основанная на оценке статистических и фрактальных характеристик пространственных рядов как самоподобных объектов, обеспечивает прогноз изменчивости характеристик массива при ограниченном объеме выборочных данных.

3. Оценка устойчивости подземных выработок осуществляется на основе разработанной методики построения прогнозных диаграмм прочности породного массива, учитывающей фрактальные характеристики тренда и надежность прогноза, определяемую величиной энтропии системы «выработка-массив».

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций диссертации подтверждается:

• непротиворечивостью полученных результатов фундаментальным положениям инженерной геологии, физики горных пород и геомеханики;

• достаточным (с точки зрения заданного уровня надежности — 95%) объемом и представительностью статистических выборок, явившихся основой для установления основных закономерностей, изложенных в работе;

• использованием результатов ультразвукового каротажа породного массива;

• учетом влияния влажности, горного давления, масштабного эффекта и структурного ослабления массива при оценке прочности и устойчивости пород;

• апробацией и положительными результатами использования разработанных рекомендаций и методик.

Научная новизна результатов исследований заключается в следующем:

— Установлена система взаимосвязей свойств ранее не изучавшихся горных пород медно-колчеданного месторождения «Юбилейное» и разработана методика их оценки по показателю скорости упругой волны.

— Обоснована оценка нарушенное&tradeпородного массива путем сопоставления данных УЗК-каротажа и скорости упругой волны в образцах, отличающаяся тем, что экспериментально установлено и учтено действие горного давления на величину скорости волны в массиве.

— Разработана процедура тренд-анализа, основанная на использовании статистических и фрактальных характеристик пространственных рядов, позволяющая тиражировать выборку и выделять локальные участки тренда, обладающие разными тенденциями изменчивости характеристик породного массива.

— Обоснована методика построения прогнозных диаграмм прочности породного массива на основе акустического показателя его нарушенное&tradeи с учетом фрактальных характеристик линии тренда, являющаяся базой прогноза устойчивости выработок с оценкой его надежности по изменению энтропии системы «выработка-массив».

— Предложен комплексный показатель свойств пород, косвенное определение которого по скорости упругой волны в массиве позволяет прогнозировать эффективность разрушения горных пород взрывом.

Практическая значимость работы заключается в совершенствовании методики косвенного определения свойств пород и массивов по скорости упругой волныв обосновании методов и компьютерных программ анализа лабораторных и натурных исследований, позволяющих осуществлять прогноз нарушенное&tradeпородного массива, пространственной изменчивости его прочности и устойчивости.

Фактические материалы: результаты инженерно-геологических изысканий месторождения «Юбилейное» (скважины 1С, 2, ЗЮ, 4) предоставленные ООО «Уралгеопроект» (профессор Гуман О. М., аспирант Ворожев A.B.) — результаты лабораторных исследований свойств горных пород месторождения «Юбилейное», выполненных кафедрой шахтного строительства (по заказу ООО «Уралгеопроект»),.

Личный вклад состоит в непосредственном участии автора в лабораторных исследованиях свойств горных пород, в установлении статистических характеристик и взаимосвязей свойств пород Юбилейного месторождения, в разработке методов и компьютерных программ тренд-анализа свойств и разрушаемое&tradeгорных пород, в формировании основных выводов и результатов работы.

Реализация результатов работы. Комплексная методика анализа лабораторных и скважинных исследований массива, включающая косвенное определение свойств горных пород по скорости упругой волны, статистический и фрактальный тренд-анализ, прогноз прочности и разрушаемое&tradeпородного массива переданы для использования в организации: Институт горного дела.

УрО РАН, ОАО «Уралгипротранс», ОАО «Уралмеханобр», ООО «Унипро-медь-Инжиниринг». Теоретические результаты по статистическому и тренд-анализу свойств горных пород и массивов, оценке устойчивости и разрушаемо-сти пород в выработке используются при чтении лекций и проведении лабораторных работ по курсам: «Геомеханика», «Исследование процессов подземного строительства», «Физика горных пород».

Апробация работы.

Основные результаты работы докладывались и обсуждались: на III Международной конференции: «Проектирование, строительство и эксплуатация комплексов подземных сооружений», — г. Екатеринбург: УГГУ, 2010 г.- на научно-технической конференции «Развитие ресурсосберегающих технологий во взрывном деле». — Екатеринбург: ИГД УрО РАН, 2012. на 10-й международной научно-практической конференции «Освоение минеральных ресурсов Севера: проблемы и решения», 11−13 апреля 2012 г. — Воркутана ежегодных молодежных научно-практических конференциях Уральского государственного горного университета — Екатеринбург (2010;2012 гг.).

Публикации.

Основные положения диссертации опубликованы в 11 научных работах. Из них 3 статьи в ведущих рецензируемых научных изданиях.

Объем и структура работы.

Объем диссертации составляет 136 страниц машинописного текста, включая 53 рисунка, и 8 таблиц. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников из 116 наименований.

Выводы.

1. На основании статистического тренд-анализа установлены закономерности изменения свойств горных пород по глубине залегания Юбилейного месторождения, определены закономерная и случайная составляющая тренда. Вычисленные значения показателя Хёрста свидетельствуют, что до глубины порядка 700 м пространственные ряды плотности скорости волны, прочности пород обладают свойством персистентности, т. е. устойчивого роста значений данных характеристик с глубиной.

2. Определение фрактальной размерности линии тренда данных характеристик позволило дифференцировать породный массив по устойчивым закономерностям изменения его свойств. На основе полученной информации разработана и реализована методика тиражирования выборки по свойствам пород с использованием метода «срединных смещений» и имитационного моделирования, что позволило повысить надежность тренд-анализа изменчивости свойств породного массива.

3. На основе проведенных исследований определена процедура построения паспортов прочности с учетом горного давления, масштабного эффекта и структурного ослабления породного массива. Построены прогнозные диаграммы изменения прочности массива с глубиной залегания пород.

4. Разработана компьютерная программа и произведено построение прогнозных диаграмм устойчивости горных пород в подземной выработке с учетом вероятности их разрушения. Определены коэффициенты надежности прогноза на основе оценки энтропии системы «горная выработка — породный массив».

5. Обоснован комплексный показатель свойств, определяющий эффективность разрушения горных пород взрывом. Разработана методика его косвенной оценки по данным акустического каротажа породного массива, что позволяет прогнозировать разрушаемость пород в процессах буровзрывных работ.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В диссертации дано решение научно-практической задачи прогноза прочности и устойчивости породного массива на основе совместного анализа лабораторных и скважинных исследований пород с учетом фрактальных характеристик пространственной изменчивости свойств массива, имеющее существенное значение для инженерно-геологического обоснования и проектирования технологии разработки месторождения полезных ископаемых.

При достижении поставленной цели и решении задач диссертационного исследования в работе получены следующие основные научные и практические результаты:

1. На основе исследований статистических характеристики комплекса плотностных и механических свойств горных пород месторождения «Юбилейное» установлена система из взаимосвязей, являющаяся базой методики их прогноза по скорости упругой волны.

2. Основой оценки степени нарушенности породного массива является отношение скоростей упругой волны в образцах и по данным УЗК-каротажа с учетом влияния горного давления на состояние массива.

3. Разработана процедура тренд-анализа изменчивости свойств горных пород и массивов, основанная на оценке статистических и фрактальных характеристик пространственных рядов данных.

4. Использование фрактальной размерности линии тренда служит основой получения новых данных (тиражирования выборки) по свойствам горных пород методом «срединных смещений» на основе фрактального броуновского движения.

5. Разработанная методика построения прогнозных диаграмм прочности породного массива базируется на установленном акустическом показателе нарушенности массива и фрактальных характеристиках линии тренда.

6. Надежность вероятностного прогноза устойчивости подземных выработок определяется показателем изменения энтропии системы «выработка-массив», величина которого позволяет определить условия разрушения пород в выработке с заданной надежностью.

7. Обоснован комплексный показатель свойств пород, определение которого по данным акустических исследований позволяет прогнозировать эффективность разрушения горных пород взрывом.

8. Разработанные рекомендации и методики переданы для использования в организации: Институт горного дела УрО РАН, ОАО «Уралгипротранс», ОАО «Уралмеханобр», ООО «Научно-производственное объединение УГГУ». Теоретические результаты по статистическому и тренд-анализу свойств горных пород и массивов, оценке устойчивости и разрушаемости пород в выработке используются при чтении лекций и проведении лабораторных работ по курсам: «Геомеханика», «Исследование процессов подземного строительства», «Физика горных пород».