Введение к работе
Актуальность проблемы. Больше половины территории России занято ри-олитозоной - частью литосферы ограниченной нулевой изотермой и содер-сащей лед. Более 70% территории ее развития занято скальными и крупнооб-омочными массивами горных пород.
Перспективы развития горной промышленности в Восточной Сибири и За-айкалье связаны с наращиванием темпов освоения Апсатского, Харанорского, атауровского, Тигнинского и дугах месторождений угля, с разработкой Удо-анского месторождения меди, Чинейского титано-ванадиево-магнетитового деторождения, строительством Ленского золоторудного комплекса, Сосново-)зерского полиметаллического и Тасеевского золоторудного и других место-ождений. В их пределах площадь распространения криолитозоны изменяется т островного до сплошного типа. Ее мощность часто превышает глубину за-егания проектируемых к разработке полезных ископаемых.
Разработка полезных ископаемых в скальных и крупнообломочных массивах эрных пород криолитозоны осложняется развивающимися физико-геологи-ескими и инженерно-геологическими процессами. Их исследования и прогно-ирование осуществляется без учета воздействия криогенного выветривания а изменения структуры и физико-технических свойств массивов горных пород, [спользуемые при этом традиционные методы часто не обеспечивают эффек-ивных решений геотехнических задач даже при весьма строгой их постановке, і результате в горных выработках образуются вывалы и обрушения кровли, сыпи и обвалы. При проведении вскрышных работ наблюдается завышение и шижение их объемов, выход большого количества негабаритов и повторное мерзание разрыхленного массива, осложняется работа рудоспусков. Экономи-еские потери при этом достигают десятков и сотен млн. рублей.
Таким образом, криогенное выветривание массивов горных пород криолито-эны представляет значительную опасность для эксплуатации горнотехниче-ких и гражданских объектов горной промышленности.
В горно-геологических науках изучению теоретических и практических особ воздействия криогенного выветривания на физико-технические свойства эрных пород не уделяется достаточного внимания. Как правило, исследования
этой области не выходят за пределы требований нормативной литературы. В з же время криогенное выветривание массивов горных пород, является гло-альным процессом, интенсивно развивающимся в пространстве и во времени. Перечисленное выше обосновывает необходимость решения крупной на-чной проблемы, содержание которой заключается в создании научно-етодических основ оценки воздействия криогенного выветривания на фи-іко-техническне свойства массивов горных пород криолитозоны и имеет ішное народно-хозяйственное значение.
Диссертация выполнена в соответствии с государственными программами: 1. Министерства геологии РСФСР (1980 - 1985г.г.) - Мониторинг криоген-ых процессов и явлений в криолитозоне;
-
ГКНТ СССР (1988-1991 г.г.) - Разработка методических рекомендаций учету мерзлотно-геоморфологаческих условий при возведении и зксплуатаї техногенных объектов на вялой мерзлоте (Тема 170 от ) и № 646 16.06.88 г. СО АН СССР
-
"Сибирь", СО РАН подпрограмма 1.06. Рудное Золото Сибири (1991-19 - а) Исследование геокриологических условий для проектирования и строите ства Ленского золоторудного комплекса (ЛЗРК).
-
Фундаментальных исследований СО РАН (1996-2000): Тема 5.2.6. П; странственно-временные закономерности распространения, развития мерзл горных пород, льдов, криогенных процессов и явлений, раздел 2.2.3.в.2 - И чение воздействия циклического промерзания и оттаивания на дезинтеграц скальных и пучение крупнообломочных пород.
-
Хоздоговорных работ с предприятиями Мингео и Госстроя РСФСР (П "Читагеология", БодайбоТИСИЗ, ЗабайкалТИСИЗ) и работ по договорам о і учно-техническом содружестве с Малым предприятием "ГЕОКРИОЛОГ", Ч ПИ и Читинским институтом природных ресурсов СО РАН.
Объект исследований - скальные и крупнообломочные массивы горных і род криолитозоны Забайкальского горнопромышленного региона.
Предмет исследований - криогенное выветривание и его воздействие физико-технические свойства горных пород и их массивов в криолитозоне.
Основная идея работы заключается в том, что эффективность освоения і сторождений полезных ископаемых и повышение качества проектировав горнотехнических сооружений возможно на основе использования физиі технических свойств горных пород с учетом количественной оценки воздей вия криогенного выветривания на их изменения.
Цель диссертационной работы - развитие теории криогенного выветри] ния и разработка научно-методических основ количественной оценки его ві действия на структуру и физико-технические свойства массивов скальных крупнообломочных горных пород. Для решения поставленной цели решались следующие основные задачи:
-
Изучить природу и механизмы криогенного выветривания горных пор криолитозоны и выявить основные закономерности изменений скорости их р; рушения в зависимости от геолого-геоморфологических факторов и услов криогенного выветривания.
-
Разработать методику комплексных исследований воздействия криогеш-го выветривания на физико-технические свойства скальных и крупнообломс ных пород криолитозоны.
-
Установить закономерности воздействия криогенного выветривания изменения теплофизических и физико-механических свойств массивов скат ных и крупнообломочных пород криолитозоны и разработать математическ модели оценки их параметров.
-
Создать методические основы количественной оценки воздействия кри генного выветривания на физико-технические свойства массивов скальных крупнообломочных пород.
5 5. Обосновать главные направления практического использования результатов исследований криогенного выветривания массивов горных пород.
Методы исследований. Реализация поставленной цели и основных задач работы осуществлялась на основе комплекса современных методов, включающих: анализ отечественных и зарубежных источников информации; использование системного подхода, натурных и лабораторных экспериментальных исследований на базе разработанных приборов и крупногабаритных стендов; разработку концептуальных, криолитологических, статистических и детерминированных моделей исследований; применение вычислительных средств. В качестве основных научных положений, на защиту выносятся:
-
Методика комплексных теоретических и экспериментальных исследований воздействия криогенного выветривания на строение и физико-технические свойства скальных и крупнообломочных пород криолитозоны.
-
Механизмы криогенного выветривания горных пород криолитозоны и основные закономерности изменений скорости их разрушения в зависимости от геолого-геоморфологических факторов и условий криогенного выветривания.
-
Закономерности воздействия криогенного выветривания на изменения теп-лофизических и физико-механических свойств массивов скальных и крупнообломочных пород криолитозоны и математические модели для их оценки.
4. Методические основы прогнозирования воздействия криогенного вывет
ривания на физико-технические свойства массивов скальных и крупнообломоч
ных пород.
Достоверность научных положений н выводов подтверждена удовлетворительной сходимостью значений параметров физико-технических свойств массивов горных пород, получаемых по предложенным методикам в сравнении, со стандартными определениями в пределах 25% погрешности.
Научная новизна работы заключается в развитии теории криогенного выветривания горных пород и разработке прогнозирования воздействия криогенного выветривания на изменения физико-технических свойств массивов скальных и крупнообломочных пород криолитозоны в зависимости от термодинамических условий их существования.
В диссертационной работе впервые:
-
Разработана методика комплексных исследований воздействия криогенного выветривания на разрушение и изменение физико-технических свойств массивов горных пород криолитозоны.
-
Выполнена количественная оценка воздействия основных механизмов криогенного выветривания на разрушение горных пород.
-
Выявлены закономерности изменения коэффициентов теплопроводности массивов скальных и крупнообломочных пород в зависимости от криогенного строения и разработаны математические модели для их оценки.
4. Получены зависимости изменений физико-механических свойств скаль
ных и крупнообломочных пород в аэральных, аквальных и нивальных условиях
криогенного выветривания.
5. Теоретически обосновано и экспериментально подтверждено доминирующе влияние криогенных текстур на деформации массивов оттаивающих скальны и крупнообломочных пород криолитозоны.
6. Теоретически обоснован параметр оценки морозостойкости горных поро
- удельное изменение прочности горных пород за один цикл замерзания и оі
таивания, найдена его связь с изменением крепости пород (по М.М. Протоды
конову) и предложена классификация горных пород по морозостойкости.
7. Разработаны научные основы прогнозирования изменений физике
технических свойств массивов горных пород в зависимости от воздействия н
них различных условий криогенного выветривания.
8. Предложены основные способы и методы управления криогенным вьівеї
риванием горных пород для увеличения эффективности решения задач горног
производства.
Практическая значимость диссертационной работы состоит в том, чт полученные результаты исследований позволяют комплексно решать проблемі эффективной разработки месторождений полезных ископаемых и увеличиват качество проектирования горнотехнических и промышленно-гражданских ин женерных объектов в криолитозоне. Их реализация позволила:
на стадии ТЭО более качественно разработать проектные решения раз мещения объектов Удоканского и Чинейского ГОКов, на стадии Рабочего прс екта - осуществить выбор оснований и фундаментов объектов Ленского золоте рудного комплекса;
предложить физико-техническое обоснование способа вскрышных работ н разрезе "Восточный" Татауровского буроугольного месторождения Читинско области;
выполнить количественную оценку деформаций осадок оттаивающих и иу чения промерзающих крупнообломочных пород, для обеспечения устойчивост проектируемых инженерных сооружений Удоканского ГОКа;
обосновать способы управления криогенным выветриванием горных поро, для повышения эффективности разработки месторождений полезных ископае мых криолитозоны.
снизить на 10-15% затраты на организацию и проведение режимных ис следований воздействия криогенного выветривания на физико-технически свойства массивов горных пород
результаты исследований теплофизических свойств горных пород исполь зованы Э.Д. Ершовым и др. при написании учебника "Петрография мерзлы: пород". -М.: изд-во МГУ, 1987 г. и справочного пособия "Инженерная гео криология", под ред. Проф. Э.Д. Ершова. - М.: Недра, 1991 г.
Общий гарантированный экономический эффект от внедрения научно технических разработок в ценах 1999 г. составил 14102,2 тыс. руб. Личный вклад автора состоит:
- в создании экспериментальной базы, научном руководстве и непосредст
венном участии в проведении натурных и лабораторных исследований крио
генного выветривания горных пород;
- в разработке методики комплексных исследований воздействия криогенно
го выветривания на физико-технические свойства массивов горных пород;
Обработка результатов исследований, анализ и интерпретация выполнены автором лично.
Апробация работы. Основные теоретические положения и результаты диссертационной работы докладывались:
на Международных конференциях и симпозиумах: Россия, Чита, 1998 г.; Швеция, Лулео, 1997 г.; КНР, г. Харбин, 1996; КНР. Пекин, 1993 г.; Россия, г. Чита, 1993 г;
на расширенных заседаниях Совета по криологии Земли АН СССР в 1984-1991 годах;
на Всесоюзных совещаниях и конференциях: Москва, 1981; 1982; Чита, 1984; Благовещенск, 1986; Одесса, 1987; Магадан, 1989; Ленинград 1990; Улан-Удэ, 1990;
- на Республиканских и региональных совещаниях и конференциях: Ир
кутск, 1985; Владивосток, 1988; Чита, 1993.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 35 работ, две монографии.
Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из Введения, 7-й глав, Заключения, списка литературы из 196 наименований и содержит 300 страниц машинописного текста, 4D рисунков, и приложений, подтверждающих внедрение результатов исследований.