Введение к работе
Актуальность работы. Специфика горного производства в настоящее время состоит в том, что по мере отработки месторождений приходится осваивать все более глубокие горизонты и залежи в неблагоприятных горно-геологических условиях. Эта общемировая тенденция сопровождается ростом интенсивности негативных проявлении горного давления, что обусловливает постоянное возрастание роли надежного информационного обеспечения горных работ.
С увеличением глубины разработки месторождений коренным образом изменяются условия функционирования горного предприятия. Глубокие шахты и рудники - сложные производственные системы, которые должны быть органично "встроены" в природные условия всеми своими составными элементами.
Современный взгляд на стратегию освоения месторождений в экстремальных условиях выдвигает в число актуальных и важных как в научном, так и в практическом плане проблему мониторинга напряженно-деформированного состояния (НДС) массива горных пород. Информация о геомеханическом состоянии породного массива необходима на всех стадиях функционирования горного предприятия - начиная с этапа разведки месторождения и завершая стадией использования подземного пространства по окончании добычи. Причем, ввиду высокой ответственности принимаемых решений, информация должна быть "полной" и своевременной. Отсюда с очевидностью вытекает потребность в создании надежных, методологически обоснованных способов и совершенных технических средств контроля, диагностики и прогноза состояния и движений породных массивов как в локальных частях, так и в зоне влияния всего предприятия.
Исследования выполнялись в соответствии с плановой тематикой ИГД СО РАН: "Исследование способов управления горным давлением при разработке крутых пластов" (71056488, 1971-1975 гг.); "Развитие методов диагностики контроля и управления состоянием и свойствами горных пород" (81081325, 1985-1990 гг.); "Изучение процессов деформирования и разрушения горных пород и сыпучих материалов при статическом и динамическом нагружениях" (01860072595, 1991-1995 гг.), а также по программам ГКІ IT СССР, ЛІ1 СССР и друї их ведомств, по планам межотраслевого и международного сотрудничества: "Создать и ввести в опытную эксплуатацию типовую автоматизированную систему непрерывного контроля и прогноза состояния и поведения массивов горных пород, опасных по динамическим проявлениям, па глубоких рудниках Минцветмета СССР" (задание 01.33 комплексной целевой научно-технической програм-
мы 0.Ц.027, Пост. ГКНТ. Госплана СССР п Президиума АН СССР №492/245/164 от 08.12.81г.; РАН СССР №10103-1016 от 21.06.82г.); "Создание и внедрение эффективной и безопасной іехнологпп ведения горных работ, систем автоматизированного прогноза удароопасностп при разработке удароопасных рудных и нерудных месторождений и строительстве подземных сооружений" (Пост. ГКНТ СССР Л 552 от 29.10.85 г., РАН СССР № 10103-2027 от 28.11.85 г.); "Разработка комплекса приборов для горной геофизики" (задание 1-16.3.7 темплана СЭВ, 1975-1985 гг.); "Создание комплекса научных геофизических приборов" (тема 09.10 темплана СЭВ, 1986-1990 гг.); "Разработка методики и техники определения напряжений в массивах горных пород с учетом развития аварий и катастроф" (задание 2.5.4. Государственной научно-технической программы № 16 "Безопасность населения и народохозяйственных объектов с учетом риска возникновения природных и техногенных катастроф", 1990-1995 гг.); "Комплексный подход к исследованию геомеханических объектов с использованием экспериментальных данных о полях напряжении и свойств нарушений" - (грант 95-05-15604а, РФФИ) и др.
Цель работы заключается в физико-техническом обосновании и разработке комплекса методов и инструментальных средств геомеханического мониторинга породных массивов, применение которых обеспечивает получение достоверной оперативной информации, необходимой для эффективного и безопасного ведения горных работ.
Идея работы состоит в том, что геомеханнчеекпй мониторинг, как система методов и инструментальных средств достоверного оценивания текущего НДС породного массива и прогнозирования катастрофических проявлений горного давления, объединяет в себе три равнозначимых функциональных компонента: получение представительной выборки геофизических данных о поведении массива; оперативная обработка геофизической информации на основе современных фундаментальных результатов геомеханики и вероятностно-статистических моделей анализа данных; использование эмпирических подходов, эвристических моделей и экспертных методов при оценивании геомеханпческой обстановки на контролируемом объекте.
Задачи исследований.
-
Построение общей концепции исследования напряжений в массиве горных пород, направленной на получение качественной и достоверной информации о состояниях породного массива; развитие в рамках этой концепции теоретических и методических основ способов экспериментального контроля НДС массива в натурных условиях, учитывающих специфические свойства горных пород.
-
Разработка принципов построения, синтез функциональных и конструктивных схем аппаратуры для этих способов, обеспечивающей точность и надежность в регистрации измерительной информации, её сохранность, автоматизированную обработку и документирование экспериментальных данных.
-
Исследование напряженно-деформированного состояния угольных и рудных массивов в условиях действующих шахт и рудников; отработка в них условиях новых способов определения напряжений, измерительных среден) и оборудования для п.\ реализации, а іакже алгоритмов обработки и процедур интерпретации экспериментальных данных.
-
Разработка технологии геомехаппческого контроля стационарных состояний породного массива в природных объектах различного масштабного уровня, учитывающей данные инструментальных измерений.
-
Разработка принципов организации методологического и пнегру-металыюго наполнений системы геомеханическою мониторинга, обеспечивающей долговременный и непрерывный контроль п диагностику напряжённо-деформированного состояния массива горных пород, а также прогноз техногенных катастроф.
Методы исследования. Применен комплекс методов, включающий: анализ и обобщение отечественного п зарубежного опыта в области геомехаппческого контроля; теоретические исследования, математическое моделирование, лабораторный и натурный эксперименты в процессе создания и совершенствования способов п технических средств контроля напряженно-деформированного состояния горных пород; экспериментальные "in situ" исследования напряжений в массиве: использование моделей геомеханпки и геофизики, вероятностно-статистических моделей анализа данных при разработке методологических основ геомеханического мониторинга.
Основные научные результаты, защищаемые автором.
-
При экспериментальном определении напряжений в породах осадочного происхождения необходимо учитывать их способность деформироваться во времени без увеличения нагрузок, вызванных объемными или поверхностными силами. Параметры прямой п обратной ползучести при этом могут быть определены инструментально в натурных условиях. Учет наследственных свойств осадочных пород, к примеру в случае метода разгрузки, позволяет снизить погрешности при вычислении величин напряжений на 3-13%.
-
На точность расчетной схемы и надежность метода параллельных скважин существенное влияние оказывают его геометрические параметры, к которым относятся диаметры возмущающей - D и измерительной - d скважин, а также размер межскважинной перемычки - S. Если скважины выполняются с применением стандартного алмазного инструмента, оптимальными, исходя из уровня "полезного сигнала" (проявляющиеся в процессе контроля напряжений смешения контура измерительной скважины) и интенсивности касательных напряжений на её контуре (минимизируемый параметр), являются S=( 1,5-2,5) d при соотношении D/d=2,4.
-
Мгновенные значения коэффициентов касательной и нормальной жесткости контакта между блоками горной породы связаны с амплитудой первого вступления сигнала при активном прозвучиванип нарушения сплошности. При определенной схеме расположения излучателя и приёмников по разным берегам контакта эта связь не зависит от мощности и
нестабильное!и зондирующего сигнала: первая группа приемников должна размещаться напротив излучателя, вторая - па равном удалении как от первой группы приемников, так и от поверхности контакта. При контроле К„ и Ki зондирующий сигнал должен іюзбуждаїься в направлениях нормально и параллельно поверхности нарушения, соответственно.
-
Получение количественных, имеющих практический смысл, оценок стационарных состояний породного массива, обеспечивается нетрадиционной технологией геомеханического контроля, в основе которой лежит численный анализ действующих в массиве полей напряжений с использованием системы взаимосвязанных объемных конечноэлементных геомеханп-ческнх моделей, построенных по иерархическому принципу в соответствии с блочно-иерархическим строением реального массива так, что в моделях низшего ранга отражается напряженно-деформированное состояние массива в целом, как более крупной системы, и при формулировке граничных условий учитывается разнородная (геологическая, геофизическая, сейсмологическая и т.д.) информация, адекватная масштабу модели, прямо пли косвенно характеризующая поле действующих в массиве напряжений.
-
Прогноз катастрофических проявлений горного давления, как одна из сложнейших функций мониторинга, возможен на базе развитых методов контроля и диагностики НДС породного массива, адаптируемых в реальном времени к текущей геомеханической ситуации. Основными критериями адаптации являются реальная структура геомеханического пространства и динамические свойства процессов, развивающихся в элементах данной структуры (компактах). Введенная система компактов, которая характеризуется либо статистически слабым взаимодействием между оі-дельными компактами, либо установленной в результате контроля п дилі-ностпкп картиной взаимодействия между ними, обеспечивает достижение практически значимой точности существующих и перспективных прогнозных моделей для случайных нелинейных процессов в реальном массиве.
-
Достоверность прогностических оценок в системе мониторинга достигается за счет объединения в квазнреалыюм времени и общей информационной базе двух компонентов: представительного статистического материала о поведении массива и совершенных методов его обработки на основе детерминированных геомеханпческих моделей, вероятностно-статистических моделей анализа данных, моделей экспертного оценивания.
Автором защищаются принципы построения портативных геомеханпческих измерительно-вычислительных комплексов, обеспечивающих автоматизированный съём, храпение и обработку информации при экспериментальном определении напряжений в локальных участках массива.
Обоснованное п. и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обеспечивается комплексным характером работы, которая включает теоретические исследования с привлечением современного аппарата математической физики и экспериментальные исследования в лабораторных п натурных условиях с использованием новейших образцов метрологически обоснованной и обеспеченной средствами вычислительной те.х-
пики геофизической аппаратуры; сопоставимостью полученных теоретических и экспериментальных результатов; непротиворечивостью данных натурных определений напряжений, полученных с использованием предлагаемых и традиционных методов геоконтроля, а также с данными визуальных наблюдений за состоянием горных выработок и проявлениями горного давления в них; положительными результатами испытаний и практического применения разработанных методов и технических средств геоме-ханпческого контроля различными научными и производственными организациями в нашей стране и за рубежом.
Научная новизна работы заключается в следующем:
-
Разработана общая концепция исследования напряжений в верхней части земной коры, отражающая основные принципы и подходы в получении, обработке и интерпретации измерительной информации. В соответствии с требованиями международного проекта карты мировых напряжений проанализированы обобщенные экспериментальные данные о параметрах полей напряжений в основных горнодобывающих регионах СНГ.
-
Модифицированы теоретические основы метода разгрузки керна с центральной скважиной применительно к задаче контроля напряжений в горных породах с выраженными реологическими свойствами. Разработана процедура инструментального определения параметров ползучести горных пород в натурных условиях. Определены относительная погрешность и область применения метода, а также технические требования к первичным преобразователям.
-
Предложен и теоретически обоснован принципиально новый способ определения напряжений в массиве горных пород, предусматривающий возмущение НДС вокруг измерительной скважины с первичным преобразователем путем бурения параллельно ей дополнительной скважины. Искомые напряжения устанавливают по реакции контура измерительной скважины на эти возмущения. Выявлены особенности распределения кольцевых напряжений на контуре измерительной скважины и в межскважин-ной перемычке при равномерном подпоре стенок скважины. Обоснованы оптимальные геометрические параметры метода, определены его относительная погрешность и область применения, а также технические требования к первичным преобразователям.
-
Разработаны алгоритм, методическое и аппаратурное обеспечение контроля мгновенных значений коэффициентов нормальной и касательной жесткости нарушений сплошности в массиве горных пород.
-
Разработана методика подготовки данных для построения трехмерных конечноэлементных геомеханических моделей природных объектов различного масштабного уровня; построена модель крупномасштабного геологического объекта, охватывающего юг Западной Сибири и Алтае-Саянскую горно-складчатую область. В результате численного анализа определены параметры регионального ноля напряжении для района железорудных месторождений Горной Шорни.
-
Разрабоїаиа логическая сіруктура системы геомеханического мониторинга, основными компонентами которой являются методологическое, технологическое и системное наполнения; обоснована структурно-функциональная схема системы геомонпторинга для группы месторождений Горной Шории и базовые архитектурные решения её основных компонентов.
-
Разработаны модельные компоненты методологического наполнения системы геомонпторинга как системы моделей, методов, алгоритмов и процедур, обеспечивающих решение комплекса задач по своевременному обнаружению катастрофических явлений, а также по поиску и обоснованию оптимальной стратеши управления горным давлением.
Личный вклад автора заключается: в формулировании основных идей и разработке новых способов контроля напряженно-деформированного состояния массива горных пород; в выработке общей идеологии и принципов построения портативных геомеханических измерительно-вычислительных комплексов; в выполнении комплекса экспериментальных исследований напряжений в натурных условиях, в условиях действующих предприятий; в постановке задач и руководстве исследованиями по проблеме построения систем геомеханического мониторинга.
Практическая ценность работы заключается: в создании комплекса инструментальных способов определения величин абсолютных напряжений в массиве горных пород, особенностей их пространственного распределения в окрестности выработок, а также в нетронутом массиве, комбинированное применение которых позволяет решать обширный перечень задач по геомеханическому обоснованию технических решений при подземной добыче полезных ископаемых: в разработке общих принципов построения унифицированных геомеханических измерительно-вычислительных комплексов, синтезе функциональных схем портативных регистраторов и конструктивных схем деформометрических первичных преобразователей, обеспечивающих автоматизированный сбор, хранение и обработку jKcuepiiMCHiajibiibix данных, за счеі чего достигає і ся возможное і ь их сопоставления и надежного документирования; в установлении параметров регионального поля напряжении для Николаевского свинцово-цинкового месторождения на стадии его разведки и освоения, которые были использованы при утверждении государственных запасов, при обосновании стратегии разработки месторождения, а также в "Указаниях" по безопасному ведению горных работ.
Реализация результатов. Обоснованные в работе научно-технические решения, в том числе шесть созданных по результатам работы изобретений, использованы мри выпуске па опытном заводе СО ЛИ СССР образцов и опытных партии портативных геомеханпческих измерительно-вычислительных комплексов. Отдельные экземпляры комплексов поставлены для практического применения в НПО "Споруда". ПО "Дальполпметалл", ВНІ ІИцветмеї (г.Караганда). ВНППгпдроуголь (г.Новокузнецк), Приан-гурекпй горно-химический комбинат (г. Краснокамеиск). Гпдропроекі
(г. Москва), на рудник ГАЙ (ГАЙГСЖ). а также ряду НИИ горного профиля в ГДР, ПНР, ЧССР (по линии многостороннего сотрудничества в рамках СЭВ). Проект системы геомеханического мониторинга (альтернативный к обсуждавшимся вариангам) был выполнен по хозяйственному договору с Таштагольскпм рудоуправлением и получил положительное заключение заказчика.
Научные и практические результаты работы нашли отражение із учебных и лабораторных пособиях, применяемых при подготовке специалистов в области контроля физических процессов горного производства в Московском государственном горном университете.
Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались на Всесоюзных семинарах "Измерение напряжений в массиве горных пород" (Новосибирск, 1967, 1969, 1971, 1973, 1975, 1977. 1979, 1984. 1987), Всесоюзном совещании по механике горных пород и горному давлению (Новосибирск, 1968), Всесоюзной конференции по механике горных пород (Новосибирск, 1971, Фрунзе, 1989), 11-й Пленарной научной сессии международного Бюро по механике горных пород (Новосибирск, 1989), Всесоюзном семинаре "Проблемы горного давления на больших глубинах при ведении подземных и открытых работ" (Кривой Рог, 1990), 10-й Международной конференции по механике горных пород (Москва, 1993), Всероссийской конференции "Управление напряженно-деформированным состоянием массива горных пород при открытой и подземной разработке месторождений полезных ископаемых" (Екатеринбург, 1994, 1996). Международной научной конференции "Современные проблемы механики горных пород" (Алма-Ата, 1997).
Публикации. По теме диссертации автором опубликовано 33 научные работы, в том числе 7 авторских свидетельств на изобретения.
Объем работы. Диссертация состоит из введения, восьми глав и заключения, изложенных на 366 страницах машинописного текста, содержит 97 рисунков, 21 таблицу, приложение и список литературы из 254 наименований.
Автор выражает искреннюю благодарность всем членам творческого коллектива выдающихся отечественных ученых и специалистов, создавших и долгие годы осуществляющих научное руководство деятельностью Всесоюзного (ныне Всероссийского) семинара по измерению напряжений в массиве горных пород, внимание, советы и консультации которых, предопределили направления исследований, а также своим коллегам по лаборатории измерительной техники Института горного дела СО РАН за поддержку и практическую помощь в процессе выполнения работы.
Похожие диссертации на Разработка методов и инструментальных средств геомеханического мониторинга породных массивов
