Введение к работе
АКТУАЛЬНОСТЬ РАБОТЫ. Повышение технического уровня подземной разработки месторождений требует постоянного контроля физических процессов в основном объекте воздействия - горных породах. Управление физическим состоянием трещиноватых породных массивов сопровождается изменением естественного процесса развития зон тре-щиноватости "вокруг выработок: его усилением при разупрочнении и замедлением, частичном или полном устранении трещин при инъецировании в пустоты специальных уплотняющих смесей. Изменение раскрытия, интенсивности, степени заполнения пустот естественных и технологических трещин позволяет целенаправленно влиять ка несущую способность 'пбродного массива, концентрации механических напряжений, расположение их максимума, водо- и газопроницаемость, ряд других важных "свойств.
При применении интенсивных технологий, ведении работ в уда-роопасных* неустойчивых, водо- и газонасыденных, неоднородных породах скорости изменения физического состояния массивов, требуемые объемы контроля и era-оперативность значительно возрастают. Гвомеханические службы горнодобывающих предприятий до настоящего времени не имеют на вооружении "средств и методик контроля,-сочетающих достаточную информативность, оперативность и малую трудоемкость, что в ряде случаев препятствует эффективному применению прогрессивных технологий. Так, цементация трещиноватых пород позволяет за счет увеличения прочности уменьшить трудоемкость и стоимость поддержания капитальных выработок в 1,5-2 раза, однако отсутствие информации о неравномерности распределения пустотности массивов, трудоемкость гидродинамического контроля заполнения трещин зачастую приводят к низкому качеству "цементации, нерациональному использованию материалов и трудозатрат.
Большинство методов контроля, применяемых в горном деле и геологоразведке, обеспечивают исследование только стабильного или медленно изменяющегося состояния массивов вследствие их недостаточной производительности. При управлении физическим состоянием массивов перспективно применение контроля, основанного на измерении аномалий геоэлектрических полей, которые отличаются детальностью в пространстве и во времени, возможностью дистанционного и автоматического режима. Вместе с тем, не исследованы закономерности формирования электрических свойств пород и параметров геоэлектри-
ческих полей в зонах трещиноватости с учетом комплекса действующих факторов. Не изучена взаимосвязь геоэлектрических процессов с физическими особенностями заполнения трещин нестабильными цементными растворами и изменением их фазового состояния. Отсутствует доступная для массовых измерений шахтная аппаратура.
Актуальным представляется развитие теоретической и экспериментальной базы геоэлектрических методов; обоснование и разработка способов контроля и управления на его основе процессами в зонах трещиноватости и цементации вокруг выработок.
Исследования выполнялись в соответствии с координационными планами согласно постановлению ГЖГ СССР Кбб от 03.03.76 по планам НИР Кузбасского государственного технического университета (» гос.регистрации тем 7504ІШ, 77026993, 79022307, 80008981, 0І62Ю534Ї2, 0294000344? и др.).
ЦЕЛЬ РАБОТЫ - разработка комплекса геоэлектрических способов контроля, обеспечивающих повышение эффективности управления физическим состоянием породного массива и безопасности горных работ на рудниках и угольных шахтах.
ОСНОВНАЯ ИДЕЯ РАБОТЫ заключается в использовании закономерностей распределения параметров активных и естественных геоэлектрических полей вокруг выработок для оценки трещиноватости, напряженного состояния и качества цементации неоднородных массивов горных пород.
определение электрических свойств неоднородного массива горных пород в зонах трещинообразования и цементации;
установление закономерностей формирования естественных электрических полей в трещиноватых массивах вокруг выработок;
обоснование и разработка принципов построения и методик испытаний комплекса шахтной геоэлектрической аппаратуры;
обоснование и разработка способов геоэлектрического контроля физического состояния неоднородных трещиноватых массивов и процессов их цементации.
МЕТОДО И ОБШШ ИССЛЕДОВАНИЙ. Выполнен комплекс исследований, включающий анализ и обобщение литературных данных, аналитические исследования с использованием методов электродинамики, лабораторные экспериментальные исследования на электролитических моделях породного массива и образцах горных пород, шахтные экспериментальные исследования состояния и свойств массивов горных пород с привлечением данных геомеханичаских, геологических служб и
статистической обработкой результатов измерений, метода конструирования геофизической электроизмерительной аппаратуры в шахтном исполнении, сопоставительный анализ эффективности разработанных способов и результатов их внедрения с использованием информационных и технико-экономических критериев.
Обьекты исследований - массивы горных пород рудных и угольных месторождений Сибири.
НАУЧНЫЕ ГОЛОШИЯ, защищаемые в диссертации:
с увеличением пустотности составляющие эффективного удельного электросопротивления (УЭС) трещиноватого массива в зависимости от соотношения УЭС породообразующего материала и заполнителя трещин изменяются линейно или-гиперболически, .при упругом деформировании с .ростом, компонент напряжений.- уменьшаются экспоненциально в диапазоне десятков процентов в зависимости от отношения пустотности к площади скального контакта трещин;
в процессе. заполнения тампонажным раствором магистральных трещин и увлажнения породных блоков в массиве формируется локальное проводящее включение, эффективный размер которого нелинейно связан с УЭС контролируемой зоны, при твердении раствора и достижении уровня естественной влажности массива УЭС определяется остаточной пористостью и пустотностьхгвторичных трещин;.
при измерениях УЭС массива в радиальных скважинах поправочные коэффициенты, учитывающие влияние экранированного контура выработки, для четырехзяектродксго градиент-зонда в зависимости от его положения и УХ среды изменяются в диапазоне 0,45-1,55:
образование полости в'рудном теле способствует формированию локальных замкнутых контуров с ионопроводящимк окисленными участками, ЭДС которых стационарна и зависит от разности электродных потенциалов на поверхности и в глубине массива, а-интегральная функция распределения потенциала линейно зависит от средней интенсивности трещин;
при движении тампонажного раствора по магистральным трещинам формируется фильтрационное электрическое по де, напряженность которого пропорциональна- проницаемости массива и градиенту давления,, а зона течения представляет собой объемно поляризованное тело;
пространственно-временные вариации естественных, полей являются физической причиной генерации фонового импульсного электромагнитного излучения из очага.образования и. развития трещин при уровне гармонической составляющей сигнала 10 -10"" В/м в диапазоне Ю5-Ю8 Гц;
повышение точности контроля, расширение рабочих диапазонов и снижение энергопотребления геоэлектрической аппаратуры обеспечивается: при контактных измерениях УЭС - импульсным режимом питающей и компенсационной цепей, при индукционном каротаже - использованием резонансных свойств главных катушек зонда и -импульсной генерацией, при электромагнитном контроле - промежуточным преобразованием частоты и регулированием порога чувствительности;
учет случайных вариаций минерального состава руд при контроле трещиноватости и уровня напряжений обеспечивается отношением измеренного УЭС к расчетному значений УЭС массива вне зоны опорного давления, определяемому по величине электродного потенциала в точке замера на основе корреляционной зависимости;
качество цементации оценивают по отношению суммарного объема пустої в контролируемом объеме массива, до и после цементации, а уровень остаточных пустот - по соотношению эффективного УЭС вла-гснасшцзнного участка массива и опорных значений, соответствующих естественному массиву, бетонной оболочке, закачиваемой влаге.
НАУЧНАЯ НОВИЗНА РАБОТЫ заключается:
- в определении соотношения факторов, влияющих на изменение
электрических свойств неоднородного массива горных пород в зонах
трещиноватости;
.'/- в установлении закономерностей изменения УЭС породного массива при заполнении трещин нестабильными цементными растворами и изменении их фазового состояния;
в обосновании значений поправочных коэффициентов, учитывающих влияние экранированной выработки при каротаже УЭС в радиальных скважинах;
в определении параметров локальных стационарных естественных электрических полей в рудном массиве вокруг выработок, обусловленных пространственной изменчивостью минерального состава руд;
в установлении закономерностей формирования нестационарных электрических полей в районе зоны цементации при фильтрации минерализованных цементосодержащих растворов;
в оценке частотного диапазона и минимального уровня электромагнитного излучения из очага образования и развития трещин;
в разработке принципов построения портативной и малоэнергоемкой шахтной геоэиектрической аппаратуры, обеспечивающей комплексные измерения естественных и активных электрических полей;
в обосновании и разработке способа геоэлектрического контроля параметров зон опорного давления и трещиноватости в рудном
массиве со случайно изменяющимся минеральным составом;
- в обосновании и разработке способов, обеспечивающих контро
лируемое инъекционное упрочнение и тампонаж цементными растворами
трещиноватого породного массива с учетом неоднородности его физи
ческих свойств. .
ОБОСНОВАННОСТЬ И ДОСТОВЕРНОСТЬ научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются:
использованием апробированных аналитических методов электродинамики;-
удовлетворительной сходимостью на основе статистических критериев результатов аналитических, экспериментальных лабораторных и комплексных, натурных исследований;
,,-,-. положительными результатами сопоставительных измерений с апробированными методами контроля состояния и свойств породного- массива, внедрения разработанных методик и аппаратуры на рудниках и угольных шахтах.
ЛИЧНЫЙ ВКЛАД АВТОРА заключается:
в теоретической оценке факторов, влияющих на УЭС трещиноватых'горных пород, включающей разработку математических моделей среды, их количественный и качественный анализ;
в обосновании-концепции формирования локальных естественных электрических полей: стационарных - на участках минералогической неоднородности рудного массива,нестационарных - в зонах фильтрации тампонажного раствора, импульсных - в зонах хрупкого разрушения;
в обосновании и разработке способа геоэлектрического контроля параметров зон трещиноватости и опорного давления в рудном массиве с учетом изменчивости минерального состава руд;
в обосновании технических требований, разработке функциональных схем и конструкций'аппаратуры для измерения параметров геоэлектрических полей, методик ее тарировки и испытаний;
в обосновании и разработке комплекса способов, обеспечивающих контролируемую цементацию трещиноватого породного массива;
в разработке методик комплексных экспериментальных исследований геоэлектрических полей на образцах горных пород, электролитических моделях, в шахтных условиях и их практической реализации.
НАУЧНОЕ ЗНАЧЕНИЕ РАБОТЫ заключается в установлении закономерностей формирования геоэлектрических полей в зонах трещинообразова-ния и цементации..вокруг выработок и разработке на их основе способов контроля и управления физическими процессами в этих зонах.
ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ РАБОТЫ заключается:
в повышении безопасности работ в горных выработках за счет своевременного контроля при управлении состоянием удароопасных и неустойчивых трещиноватых породных массивов;
в повышении качества последующей цементации трещиноватых горных пород, снижении трудозатрат и экономии строительных материалов за счет контроля и учета неоднородности физических свойств массива на всех стадиях формирования цементационных зон.
РЕАЛИЗАЦИЯ РАБОТЫ. Основные положения диссертационной работы вошли составной частью в следующие отраслевые нормативные документы:
-
Методическое руководство по оценке напряженного состояния, трещиноватости и степени удароопасности массивов сплошных сульфидных руд комплексным электрометрическим методом / Норильский ШК, БНШИ, КузПИ.- Кемерово, 1978.- 32 с.
-
Временные указания по безопасному ведению горных работ на Конетантиновском месторождении, угрожаемом по горным ударам / КузПИ.- Кемерово, 1987.- 48 с.
-
Методические указания по определению коэффициента трещиноватости горного массива вокруг выработок реометрическим и электрометрическим методами (временные) / Кузниишахтострой, КузПИ.- Кемерово, 1988.- 36 с.
-
Руководство по технологии крепления горных выработок с применением опалубки ШП, основанной на использовании несущей способности упрочненных пород. РД 12.18 088-89 / Кузниишахтострой.- Кемерово, 1990.- 80 с.
-
Методические указания по контролю последующего иньекци--онного упрочнения горных пород вокруг выработок растворами на
основе цемента электрометрическим методом / КузПИ, Кузниишахтострой.-Кемерово, 1991.- 32 с.
Опытные образцы индукционного датчика и регистратора электромагнитного излучения внедрены в составе разработанной ИГД им. А.А.Скочинского телеметрической системы контроля горных пород и прошли промышленные испытания, на шахтах Донбасса.
Аппаратура и методики для оценки напряженного состояния, трещиноватости и степени удароопасности массива внедрены на рудниках Октябрьского, Таштагольского, Константиновского место-
рождений и угольных шахтах Кузбасса. Применение геоэлектрического контроля службами геомеханического прогноза горных предприятий способствовало повышению безопасности работ. Экономический эффект от замены способа, основанного на дискообразовании выбуриваемого керна, на руднике "Октябрьский" составил в ценах І99І..' года более I руб. на I м контрольной скважины.
Методики"контролируемой цементации горных пород на стадиях обоснования проекта, закачки раствора, контроля качества цементации и вторичного трещинообразования внедрены на шахтах Кузбасса при строительстве капитальных горных выработок на десяти - участках протяженностью от 8 до 360 м. Экономический эффект от внедрения, полученный за счет экономии трудозатрат и строительных материалов, составил 5-10 от общей стоимости проходки и. : крепления выработок.
Результаты исследований используются в учебном процессе Кузбасского государственного технического университета.
АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались: на симпозиуме "Отражение современных полей напряжений и свойств пород в состоянии скальных массивов" (Апатиты, 1977), на всесоюзных конференциях и семинарах по измерению напряжений в массиве (Новосибирск, І977), по применению электрометрических методов (Кемерово, І978), по механике горных пород (Фрунзе, І978), по физике горных пород и процессов (Москва, 1977, І98І), по экологическим проблемам горного производства (Москва, 1995), на технических совещаниях рудника "Октябрьский" Норильского ГМК (Норильск, І977, 1978), на координационных совещаниях по проблеме горных ударов на рудных и нерудных месторождениях (Ленинград, 1976, Североуральск, І978-, Таштагол, 1980), на заседании секции горных ударов и выбросов Ученого Совета ШИМИ (Ленинград, 1978), на технических совещаниях института Кузниишах-тострой, концерна "Кузбассшахтострой", треста "Кузбассшахтопро-ходка", Новокузнецком ШПУ (І989-І995), на научно-практических конференциях (Кемерово, 1994, Новокузнецк, І995), на ежегодных научных конференциях КуэГТУ (І986-І995).
ПУБЛИКАЦИИ, По теме диссертации опубликовано 39 научных' работ, в том числе I монография, получено 7 авторских свидетельств и 3 патента на изобретения.
ОБЪЕМ РАБОТЫ. Диссертация состоит из введения, семи глав, заключения, изложена на 361 страницах машинописного текста и со-
держит 96 рисунков, 18 таблиц, список литературных источников из 226 наименований, 5 приложений.